Trận đánh bắt đầu vào rạng ngày 10 tháng 6 sau nửa đêm, khi Q762 của Mặt trận với một số đơn vị từ Q763, một phần của Sư đoàn 9 đã tiến hành các cuộc tấn công với các loạt súng cối không ngớt và các hỏa lực nhỏ, bắn vào các boong ke và các vị trí súng máy. Vòng phòng thủ ngoài của tiêu khu bị phá hủy và Quân giải phóng chiếm được các hệ thống boong ke chủ chốt.

Do bất ngờ bởi bị tấn công vào sáng sớm, những người lính bên trong doanh trại có ít thời gian để phản ứng. Thiếu úy Charles W. Williams, chỉ huy của biệt đội đã ra lệnh cho quân mình nắm giữ vị trí phòng thủ bên trong sở chỉ huy quận sau khi ông đã nhận ra rằng doanh trại đã gần như bị địch phá tan.

Lúc sáng sớm, quân lực Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng hòa đã thực hiện không kích vào các vị trí của quân Mặt trận bằng bom napalm, nhưng QGP đã bám chặt các vị trí bên trong các đồn điền cao su. Trong khi Quân giải phóng tiếp bắn phá doanh trại, một trực thăng Huey UH-1 của Đại đội 118 Không lực Hoa Kỳ đã rời sân bay Tân Sơn Nhất chở theo một số binh lính Sư đoàn Bộ binh 5 Quân lực Việt Nam Cộng hòa. Nhiệm vụ chính của họ là tăng viện cho quân phòng thủ của họ đang bị vây hãm trong doanh trại. Hỏa lực phòng không của Quân giải phóng đã ngăn trở việc hạ cánh của máy bay chở quân cứu viện tới, và quân Việt Nam Cộng Hòa trên mặt đất chịu thương vong nặng nề.

Sau đó một ngày, các lực lượng viện binh từ Tiểu đoàn 42 của Quân lực Việt Nam Cộng Hòa đã bị buộc phải hạ cánh xuống Thuận Lợi, nơi họ lập tức giao chiến và tiếp tục cho đến đêm. Một tiểu đoàn Mỹ đã hạ cánh tại đường băng Đồng Xoài nhưng đã không được tướng William Westmoreland cho tham chiến. Trung đoàn Q762 quân Giải phóng đã bao vây, tiêu diệt phần lớn lực lượng tăng viện của đối phương.

Sáng 11/6, Hoa Kỳ tăng cường Tiểu đoàn Dù 7 và Tiểu đoàn Biệt động quân 46 cùng 1 đại đội pháo 105mm tiếp ứng cho Đồng Xoài. Ngày 12/6, khi Tiểu đoàn Dù 7 tiến vào khu vực đồn điền Thuận Lợi để thu thập tàn binh, bị Trung đoàn Q762 vận động phục kích tiêu diệt gần hết. Đây là tiểu đoàn dù đầu tiên thuộc lực lượng cơ động chiến lược và là thần tượng về sức mạnh của quân đội Sài Gòn bị quân Giải phóng tiêu diệt, khiến cho quân Việt Nam Cộng hòa đóng ở Củ Chi, Cây Trắc... dọc quốc lộ 1 hoang mang.

Các điều kiện bên trong quận Đồng Xoài tiếp tục xấu đi với việc thực phẩm, nước, thuốc men và đạn dược còn ít. Sau một đêm kinh sợ bên trong trại, các cố vấn Hoa Kỳ đã quyết định rút quân.

Trước sáng sớm ngày 12 tháng 7, Quân giải phóng đã rút lui và biến mất trong rừng để lại Quân lực Việt Nam Cộng Hòa bị đánh tan tác. Lực lượng còn lại này hoảng loạn và mất tinh thần đã chịu tổn thất là 800 quân thương vong còn Mỹ thì chịu 35 trường hợp thương vong. Hàng chục trực thăng và xe cơ giới cũng bị quân Giải phóng phá hủy.