Về phía ta, sau thắng lợi Chiến dịch Bình Giã (2-12-1964/3-1-1965), tốc độ xây dựng lực lượng chủ lực được đẩy nhanh. Tại Nam Bộ, trong 2 tháng đầu năm 1965, ta đã xây dựng thêm được 2 trung đoàn (3, 4); các đơn vị được trang bị thêm một số loại vũ khí như súng tiểu liên AK, súng chống tăng B40..., góp phần nâng cao đáng kể sức mạnh chiến đấu cho bộ đội cả về vật chất và tinh thần.

Cùng với việc xây dựng lực lượng và tăng cường vũ khí, trang bị, những bài học kinh nghiệm tác chiến tập trung của bộ đội chủ lực rút ra từ chiến dịch Bình Giã cũng nhanh chóng được phổ biến và đưa vào huấn luyện cho bộ đội, kịp thời đáp ứng yêu cầu phát triển mới của chiến trường.

Căn cứ vào nhiệm vụ chiến lược do Bộ Chính trị và Quân ủy Trung ương đề ra là tiếp tục đẩy mạnh tiến công quân sự kết hợp chặt chẽ với đấu tranh chính trị, nhanh chóng thực hiện những đòn đánh tiêu diệt lớn hơn, đẩy nhanh sự suy sụp, tan rã của ngụy quân Sài Gòn, kiên quyết đánh bại chiến lược “Chiến tranh đặc biệt” của Mỹ. Trung ương Cục, Quân ủy và Bộ chỉ huy Miền quyết định mở đợt hoạt động Xuân - Hè 1965, trọng điểm là Chiến dịch Đồng Xoài nhằm đánh bại ngụy quân Sài Gòn trước khi Mỹ tăng quân vào chiến trường miền Nam.

Bộ Tư lệnh Chiến dịch Đồng Xoài gồm các đồng chí: Thiếu tướng Lê Trọng Tấn - Tư lệnh kiêm Chính ủy (giai đoạn cuối chiến dịch bổ sung đồng chí Trần Độ - Chính ủy); Hoàng Cầm - Phó tư lệnh, Tham mưu trưởng; Nguyễn Minh Châu (Năm Ngà) - Phó tư lệnh, Lê Văn Tưởng - Phó chính ủy.

Lực lượng tham gia chiến dịch gồm 3 trung đoàn bộ binh (271, 272, 273, còn có tên gọi khác là 1, 2, 3), 2 tiểu đoàn đặc công và một số đơn vị pháo binh, công binh của chủ lực Miền; 1 trung đoàn và 2 tiểu đoàn bộ binh của Quân khu 6 cùng lực lượng vũ trang địa phương các tỉnh Bình Long, Phước Long, Lâm Đồng, Long Khánh, Biên Hòa, Bà Rịa.

Về lực lượng địch ở khu vực Đồng Xoài và 2 tỉnh Bình Long, Phước Long có 9 tiểu đoàn bộ binh, 2 tiểu đoàn biệt động quân, 1 tiểu đoàn dù, 2 tiểu đoàn và 7 đại đội bảo an, 21 đại đội biệt kích, 1 chi đoàn thiết giáp; cố vấn Mỹ trực tiếp chỉ đạo thực hiện chương trình bình định nông thôn tại đây.

Với phương pháp kết hợp chặt chẽ tiến công quân sự với tiến công chính trị và binh vận, tích cực tiêu diệt địch, phát động nhân dân nổi dậy phá ấp chiến lược, phát triển chiến tranh nhân dân, mở rộng và củng cố vùng giải phóng; thực hiện đánh điểm để diệt viện, Chiến dịch diễn ra 3 đợt:

Đợt 1 (từ ngày 10 đến ngày 31-5-1965), ta đánh điểm để kéo viện. Đêm ngày 10 rạng sáng ngày 11-5-1965, Tiểu đoàn bộ binh 1 Trung đoàn 271 cùng Tiểu đoàn bộ binh 840 và đặc công tiến công thị xã Phước Long, đồng thời Tiểu đoàn bộ binh 1 Trung đoàn 272 tiến công chi khu quân sự Phước Bình. Địch đưa 4 tiểu đoàn đến giải tỏa, ta không tiêu diệt được.

Đợt 2 (từ ngày 9 đến ngày 20-6-1965), ta lập thế để đánh trận then chốt. Đêm 9-6-1965, Trung đoàn 272 cùng Tiểu đoàn bộ binh 2 Trung đoàn 273 tiêu diệt chi khu Đồng Xoài, sau đó liên tiếp đánh quân viện, tiêu diệt gọn 3 tiểu đoàn ở khu vực Đồng Xoài, Thuận Lợi, Phú Riềng.

Đợt 3 (từ ngày 24-6 đến ngày 22-7-1965), tiếp tục đánh địch ở Bù Đốp, Bầu Bàng, đường 13, 15.

Kết quả chung toàn chiến dịch, ta đã tiêu diệt 4 tiểu đoàn chủ lực (trong đó có 1 tiểu đoàn dù thuộc lực lượng tổng dự bị chiến lược), 24 đại đội bảo an và biệt kích, 6 chi đội cơ giới, 4 phân đội kĩ thuật, loại khỏi vòng chiến đấu gần 4.500 quân địch, bắn rơi 34 máy bay, phá hủy 60 xe quân sự, 6 đầu máy và 12 toa xe lửa, thu và phá hủy hơn 2 nghìn súng, pháo các loại, giải phóng hơn 50 nghìn dân thuộc 2 tỉnh Bình Long và Phước Long, góp phần khai thông biên giới sang Campuchia, nối liền hành lang chiến lược từ miền Bắc qua đường Trường Sơn vào miền Đông Nam Bộ.

Cùng với các chiến dịch Bình Giã, Ba Gia, thắng lợi của Chiến dịch Đồng Xoài góp phần làm thất bại hoàn toàn chiến lược “Chiến tranh đặc biệt” của Mỹ ở miền Nam; đánh dấu bước trưởng thành mới về trình độ tổ chức chuẩn bị và tác chiến tập trung, cũng như trình độ tổ chức và điều hành chiến dịch của đội ngũ cán bộ, chỉ huy, khả năng hiệp đồng trong tác chiến vận động của các lực lượng vũ trang cách mạng miền Nam.