Ngày 19-7, các biên đội F-105 lại bay vào ném bom kho xăng Đông Anh. Đội hình máy bay Mỹ do Thiếu tá, phi công Ace (Danh hiệu cho các phi công quân sự bắn hạ được 5 máy bay của đối phương trở lên) của Không quân Mỹ H. Kasler dẫn đầu.
Đây là viên phi công nổi tiếng, đã tham gia chiến tranh Triều Tiên và được các phi công Mỹ ca ngợi là "Phi công có giác quan thứ 6", "Phi hành gia số 1", "Nhân vật huyền thoại trong Không quân Mỹ"… Chính viên thiếu tá này đã chỉ huy trận ném bom vào Kho xăng Đức Giang ngày 29-6-1966.
Lúc 14 giờ 47 phút, nhận được thông báo có nhiều tốp F-105 bay thấp dọc theo dãy Tam Đảo, Sở chỉ huy Trung đoàn 923 nhận định các máy bay F-105 sẽ bay vào theo hướng Bắc Tuyên Quang, tràn xuống phía Bắc dãy Tam Đảo và tiến hành ném bom theo chiến thuật "bay thấp, kéo cao" dùng dãy Tam Đảo để che mắt hệ thống radar phòng không của Sân bay Nội Bài và cụm phòng không phía Bắc Hà Nội.
Mặc dù lưới lửa phòng không bủa vây dày đặc, nhưng biên đội F-105D vẫn tiến vào khu vực Kho xăng Đông Anh và chuẩn bị ném bom. Sở chỉ huy cho biên đội Nguyễn Văn Biên và Võ Văn Mẫn cất cánh, bay chờ ở khu vực trực chiến trên đỉnh sân bay.
Tư tưởng chủ đạo trong cách đánh mới là ghìm máy bay Mỹ xuống thấp, không chiến trong khu vực sân bay để tận dụng các đài chỉ huy bổ trợ xung quanh và lưới lửa yểm hộ của các trận địa phòng không.
Cùng lúc đó, đài chỉ huy bổ trợ trên núi Hàm Lợn báo gấp có 3 tốp F-105 xuất hiện ở cuối dãy núi Tam Đảo, đang bay về hướng sân bay Nội Bài theo đội hình các tốp cách nhau 5km.
Trung đoàn trưởng Trần Mạnh - người chủ trì kíp trực ban tại Sở chỉ huy đã lệnh cho biên đội MiG-17 sẵn sàng đánh trả tốp F-105 ở độ cao thấp, theo phương án đã chuẩn bị.
Được sự dẫn dắt từ Sở chỉ huy mặt đất, 2 chiếc MiG-17 bay tạt chéo qua đỉnh sân bay để tiếp cận đội hình F-105. Trong lúc đó, các máy bay F-105 bay theo đội hình bậc thang, 2 chiếc sau cách 2 chiếc trước khoảng 1.500m.
Khi biên đội do Kasler dẫn đầu đến khu vực ném bom, bất ngờ phát hiện 2 chiếc MiG đang lao vào tấn công đội hình F-105D, số 1 Thiếu tá Kasler lệnh cho 2 chiếc F105D quay lại quần nhau với MiG, các số khác trong biên đội tiếp tục làm nhiệm vụ cường kích.
Khi thấy tốp F-105D xuất hiện, Biên đội trưởng MiG-17 Nguyễn Văn Biên quyết định lao vào công kích tốp đầu. Sau khi kéo lên lấy độ cao hợp lý, Nguyễn Văn Biên vội tăng tốc độ, bám mục tiêu và đưa máy bay địch vào vòng ngắm, anh bóp cò súng ở cự ly 600m, 2 chiếc F-105D đoán được sự nguy hiểm, vội đạp trượt cạnh, lật úp, kéo xuống thấp.
Thấy 2 chiếc F-105D chúi xuống thấp, Nguyễn Văn Biên biết là đối phương đã rơi vào đúng ý đồ tác chiến của ta. Ở độ cao thấp, tốc độ của MiG-17 không thua kém tốc độ của F-105D nhưng sẽ bị tiêu hao nhiên liệu nhanh hơn.
Hai chiếc MiG-17 và 2 chiếc F105D quần nhau ngay trên đỉnh sân bay, 4 chiếc máy bay phản lực xoay tròn như những chiếc lá trong cơn lốc. Qua nhiều vòng bất phân thắng bại, cái vòng xoáy lốc không chiến ấy dần đẩy vào khu vực hỏa lực bảo vệ sân bay theo đúng ý đồ của ta.
Phi công số 2 của F-105D không chịu nổi căng thẳng khi quần nhau với MiG-17 và nguy cơ từ lưới lửa mặt đất đã thoát ly, bỏ chạy khỏi khu vực tác chiến. Nhận ra ý định rút chạy của địch, Phi công Võ Văn Mẫn bóp cò, chiếc F-105D trúng đạn, đột ngột vọt lên rồi chúi mũi, rơi xuống đất, viên phi công Mỹ nhảy dù nhưng tử vong.
Chiếc còn lại bị gọng kìm của hai chiếc MiG xiết chặt đã phải kêu gọi tốp F-105D phía trước quay lại ứng cứu. Khi tốp F-105 quay lại lao vào 2 chiếc MiG nhưng bị hỏa lực bảo vệ sân bay đánh chặn, bắn cháy 1 chiếc buộc chúng phải giãn đội hình.
Hai chiếc MiG của ta tiếp tục quần nhau với chiếc F-105D do Kasler điều khiển, dồn hắn vào thế bí và liên tục bị công kích khiến hắn phải trổ hết kinh nghiệm không chiến của tay lái dày dạn với hơn 20 năm kinh nghiệm để tránh hỏa lực của ta cả trên không và mặt đất.
Bằng kĩ thuật cơ động, không chiến sáng tạo và dũng mãnh, biên đội Biên, Mẫn đã thay nhau công kích, loạt đạn của Nguyễn Văn Biên đã bắn trúng cánh phải của chiếc F-105D do Kasler điều khiển, hắn vội lật úp, cắm máy bay xuống rồi tăng tốc độ bay ra phía biên giới.
Biên đội MiG-17 của ta hạ cánh an toàn ở Sân bay Gia Lâm, ghi thành tích cho trận không chiến ác liệt với đội hình máy bay F-105D của Mỹ. Cũng từ trận thắng này, các phi công MiG-17 càng khẳng định cách đánh quần ở độ cao thấp là cách đánh phát huy thế mạnh và đạt hiệu suất chiến đấu cao của máy bay MiG-17.