Lực lượng ta gồm: 3 trung đoàn bộ binh (271, 272, 273), 2 tiểu đoàn đặc công, một bộ phận pháo binh, công binh của Miền; 1 trung đoàn, 2 tiểu đoàn bộ binh của Quân khu 6 miền Đông Nam Bộ và LLVT địa phương 6 tỉnh Bình Long, Phước Long, Lâm Đồng, Long Khánh, Biên Hoà, Bà Rịa.
Lực lượng địch 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 QĐ Sài Gòn ở hai tỉnh Bình Long, Phước Long (địa bàn tác chiến chủ yếu).
Chiến dịch chia làm 3 đợt:
-
Đợt 1 (10-31.5), ta đánh điểm để kéo viện: đêm 10 rạng 11.5 Tiểu đoàn bộ binh 1 (Trung đoàn 271) cùng Tiểu đoàn bộ binh 840 và đặc công tiến công tx 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 toả, ta không tiêu diệt được.
-
Đợt 2 (9-20.6), ta lập thế để đánh trận then chốt, đêm 9.6 Trung đoàn 272 cùng Tiểu đoàn bộ binh 2 (Trung đoàn 273) tiêu diệt chi khu Đồng Xoài, Thuận Lợi, Phú Riềng.
-
Đợt 3 (24.6-22.7), tiếp tục đánh địch ở Bù Đốp, Đầu Bàng, đường 13, 15.
Kết quả:
Ta tiêu diệt 3 tiểu đoàn bộ binh, Tiểu đoàn dù 7, 1 chi đội thiết giáp, gồm 4.459 quân; phá huỷ 60 xe quân sự, 34 máy bay trực thăng, 6 đầu máy và 12 toa xe lửa, 390 súng, pháo; thu 1.652 súng, giải phóng 56.000 dân.
Chiến dịch Đồng Xoài góp phần cùng với chiến dịch Ba Gia (28.5-20.7.1965), chiến dịch Bình Giã (2.12.1964-3.1.1965) đánh bại chiến lược chiến tranh đặc biệt của Mỹ, đánh dấu bước trưởng thành về trình độ tổ chức chuẩn bị và tác chiến tập trung tiêu diệt chiến đoàn QĐ Sài Gòn của LLVTND miền Nam VN (MH171).