Khi Quân Giải phóng đang gấp rút chuẩn bị cho trận đánh mở màn vào Phước Bình và thị xã Phước Long thì kế hoạch bị lộ. Lực lượng Mỹ và Việt Nam Cộng hòa tăng cường phòng thủ và đưa lực lượng trong thị xã Phước Long ra ngoài, phục kích nhằm ngăn chặn QGP tiến công. Phát hiện kế hoạch đã bị lộ, Bộ Tư lệnh Quân Giải phóng quyết định thực hiện theo kế hoạch, triển khai lực lượng và tiến hành nổ súng đúng thời gian đã định.

Sau khi bị tấn công trước, Tiểu đoàn Bộ binh 1 Trung đoàn Q761 phối hợp với Tiểu đoàn 840 Quân khu 6 và 2 trung đội đặc công của QGP nổ súng tiến công thị xã Phước Long. Sau 3 giờ phản công, QGP đã chiếm được đài phát thanh và phần lớn khu cảnh sát, phá hủy kho xăng, trận địa pháo và chi đội thiết giáp, đánh thiệt hại nặng khu trung tâm huấn luyện quân, đồn biệt động, đồn bảo an, khu cư xá của lính Mỹ và dinh tỉnh trưởng. Trong lúc đó, Tiểu đoàn Bộ binh 1 Trung đoàn 272 với hỏa lực chi viện tiến đánh chi khu Phước Bình và sau 25 phút chiến đấu, lực lượng phòng thủ của Việt Nam Cộng hòa bị đánh quỵ.

Sau khi kiểm soát được các mục tiêu ở Phước Long, QGP để lại một lực lượng để như lực lượng viện binh của QLVNCH, sau đó sẽ diệt lực lượng này trên đường họ hành quân để tái chiếm Phước Long. Trong đêm 10, rạng sáng 11/5, QGP đẩy lùi 6 đợt phản kích của đối phương. Trong đợt giao tranh này, QGP bắn rơi 13 máy bay, bắn cháy 1 xe bọc thép, diệt 2 đại đội thuộc Tiểu đoàn Biệt động 36 của QLVNCH đến ứng cứu

Trưa và chiều ngày 11/5, QLVNCH tiếp tục đưa quân đến phối hợp với lực lượng tại chỗ phản kích. QGP tổ chức phòng thủ quyết liệt, nhưng do đạn cạn dần và thương vong tăng, tối 11/5, QGP rút khỏi thị xã.

Sang đến ngày 12/5, QLVNCH huy động 4 tiểu đoàn đến chiếm lại thị xã. Do chậm chạp trong việc nắm tình hình đối phương và sức chiến đấu của chính QGP nêu trên bị giảm sút, họ đã bỏ qua cơ hội để tiêu diệt lực lượng này. Sau đó, Bộ Tư lệnh QGP quyết định đánh đối phương từ hướng Đồng Xoài lên.