Tại Sở chỉ huy Trung đoàn 923, kíp trực chỉ huy quyết định sử dụng biên đội nhiều kinh nghiệm trận mạc là Cao Thanh Tịnh, Lê Hải và Ngô Đức Mai, Hoàng Văn Kỷ trực ban chiến đấu. Lúc 15 giờ 31 phút, biên đội nhận lệnh cất cánh từ Sân bay Gia Lâm, sau đó, lấy độ cao 3.500 m, bay về hướng Tây, đến khu vực chiến đấu trên Sân bay Hòa Lạc.
Khi biên đội đến ngang đỉnh Sân bay Hòa Lạc thì gặp đội hình máy bay Mỹ. Đây là đội hình máy bay F-4 của Không đoàn 366 do Đại tá Gaddis dẫn đầu, Đại tá Norman bay số 2, trong trận này lần đầu máy bay địch mang theo pháo Cannon M-61(20 mm) để không chiến với MiG của ta.
Đội hình máy bay Mỹ lúc này đang đi vào từ hướng Đông sân bay. Số 1 - Cao Thanh Tịnh phát hiện cả F-4 và F-105. Trận không chiến giữa tốp máy bay của Không quân nhân dân Việt Nam với Không quân Mỹ diễn ra quyết liệt trên vùng trời Hòa Lạc.
Các máy bay F-4 và F-105 của Mỹ liên tục phóng tên lửa, riêng các máy bay F-105 còn nổ súng rất quyết liệt vào máy bay MiG của ta. Được sự dẫn dắt của đài chỉ huy bổ trợ, biên đội MiG của ta đã tách thành 2 tốp chiến đấu kiên cường với máy bay địch.
Số 1- Cao Thanh Tịnh và số 2- Lê Hải quần nhau với F- 105 ở tầng thấp, sau những phút bám sát quyết liệt, phi công Tịnh đã nổ súng vào một chiếc F-105, nhưng không trúng. Ngay sau khi thoát ly, số 1- Cao Thanh Tịnh phát hiện 2 chiếc F- 4 đang bay phía trước đã bám theo, khi đến cự ly thích hợp đã nổ súng chính xác bắn rơi 1 chiếc F-4.
Trong khi đó, các phi công Ngô Đức Mai và Hoàng Văn Kỷ quần nhau với chiếc F-4C chui từ dưới mây lên, họ lập tức bám riết trên lưng chiếc máy bay đó. Đây chính là chiếc máy bay do Đại tá Gaddis điều khiển.
Đến cự ly 300 m, độ cao 1.500 m, Ngô Đức Mai nổ 2 loạt súng vào chiếc F- 4 của Gaddis. Do các máy bay hai bên lúc ẩn lúc hiện trong các đám mây, Gaddis chưa kịp định thần xem chiếc MiG- 17 đang ở đâu thì đã bị trúng loạt đạn tiếp theo của Ngô Đức Mai. Chiếc F- 4C bùng cháy, rơi cách Sân bay Hòa Lạc 20km, Gaddis nhảy dù và bị bắt.
Phi công MiG số 4- Hoàng Văn Kỷ trong khi yểm hộ số 3, đã phát hiện tốp F-105 có F-4 yểm hộ phía trên, anh nhanh chóng kéo lên bám theo.
Do phía Không quân Mỹ có lực lượng đông, liên tục phóng tên lửa, phi công Hoàng Văn Kỷ phải liên tục cơ động, vòng tránh, nhưng anh cũng kịp thời bám sát và nổ súng bắn rơi 1 chiếc F-4C. Như vậy biên đội MiG-17 Tịnh, Hải, Mai, Kỷ đều nổ súng và bắn rơi 3 chiếc F- 4.
Trong khi trận không chiến đang diễn ra tại khu vực Sân bay Hòa Lạc, Bộ Tư lệnh Không quân tiếp tục cho biên đội MiG-17 Dương Trung Tân, Phan Trọng Vân, Trương Văn Cung và Nguyễn Văn Thọ cất cánh từ Sân bay Nội Bài, vào khu chiến ở Vĩnh Yên, Phúc Yên để đón đánh tốp máy bay Mỹ bay vào từ phía Tây Tam Đảo.
Với góc vào 100 độ, ở cự ly 5 km, biên đội đã phát hiện tốp lớn F-105. Số 1 - Dương Trung Tân hô thả thùng dầu phụ, lao vào không chiến. Các máy bay F-105 vội quẳng bom quay sang không chiến với 4 chiếc MiG-17. Trận này, phi công Phan Trọng Vân đã bám sát tốp F-105 và bắn rơi 1 chiếc.
Lúc 16 giờ 40 phút, Sở chỉ huy Không quân và Trung đoàn 921 (chủ trì kíp trực tại Trung đoàn 921 là Trung đoàn trưởng Trần Mạnh và Phó trung đoàn trưởng Trần Hanh, trực dẫn đường là Phạm Công Thành) cho biên đội 2 chiếc MiG-21 gồm Lê Trọng Huyên - máy bay số 26 và Đồng Văn Song - máy bay số 31 cất cánh từ Sân bay Nội Bài.
Sau khi cất cánh, biên đội 2 chiếc được dẫn tới khu chiến ở Mai Châu, Vạn Yên, đón đánh các tốp F-105 đang trên đường bay ra. Chỉ 1 phút sau, số 1 phát hiện 2 chiếc F-105 phía trước bên phải, lệnh vứt thùng dầu phụ, hô số 2 yểm hộ số 1 vào công kích.
Khi đến cự ly 1.000 m, âm lượng đầu nhiệt tốt, phi công Huyên ấn nút phóng tên lửa. Quả tên lửa nổ bên trái chiếc F-105. Số 1 kéo lên thoát ly và hô số 2 vào công kích. Số 2 phi công Đồng Văn Song đã bám sát, chiếm vị trí tốt và phóng tên lửa R-3S, bắn rơi 1 chiếc F-105. Sau đó, phi công Song kéo cao thoát ly về sân bay hạ cánh an toàn lúc 16 giờ 59 phút.
Có thể nói đây là ngày đại thắng của Không quân nhân dân Việt Nam, các biên đội của 2 Trung đoàn 921 và 923 với 2 chiếc MiG-21 và 10 chiếc MiG-17 đã xuất kích bắn rơi 5 máy bay Mỹ. Đồng thời, tất cả máy bay MiG-21 và MiG-17 cất cánh đều về hạ cánh an toàn.