Lực luợng tham gia chiến dịch gồm:
3 đại đoàn bộ binh (308, 312 và 304), Đại đoàn công binh-pháo binh 351 và LLVT địa phương; phối hợp với chiến dịch, các đại đoàn 316, 320 được lệnh tiến sâu vào vùng địch tạm chiếm ở đồng bằng Bắc Bộ, cùng LLVT địa phương đánh địch, hỗ trợ nhân dân nổi dậy, phá tề, trừ gian, mở rộng du kích.
Về địch, sau khi đánh chiếm các vị trí then chốt khu vực Hoà Bình-Đường 6, Sông Đà-Ba Vì (xem hành quân Tuylip và Lôtuyt, 11.1951), Pháp tổ chức phòng ngự thành 2 phân khu: Sông Đà-Ba Vì (khu bắc) và Hoà Bình-đường 6 (khu Nam), trong đó thị xã Hoà Bình được xây dựng thành một tập đoàn cứ điểm (ngoài ra còn có phân khu Chợ Bến là tiền đồn phía Đông bảo vệ Hoà Bình); lực luợng gồm 13 tiểu đoàn bộ binh, 3 tiểu đoàn dù, 4 tiểu đoàn pháo binh, 1 tiểu đoàn thiết giáp, 1 đại đội công binh và 1 trung đội xe tăng.
Chiến dịch diễn ra 3 đợt:
-
Đợt 1 (10-26.12.1951): tập trung đột phá tuyến Sông Đà: đánh địch càn quét ở Nam Ba Vì, tiến công diệt cứ điểm Tu Vũ (xem trận Tu Vũ, 10.12.1951), đánh nhiều trận phục kích cắt đứt tuyến vận chuyển của địch trên Sông Đà, uy hiếp đường 6, đồng thời đánh mạnh ở vùng địch hậu Bắc Ninh. Pháp rút bớt lực luợng cơ động từ Hoà Bình về Bắc Ninh để đối phó, nhưng ngay sau đó phải đưa quân trở lại cứu nguy cho Hoà Bình.
-
Đợt 2 (27-31.12.1951): ta tiếp tục đánh mạnh hưóng Sông Đà-Ba Vì, tập kích diệt địch ở các điểm cao 500 và 564; trên hướng đường 6 tiến công các cứ điểm Đồi Mồi, Hàm Voi, diệt được một bộ phận địch.
Pháp cố gắng tăng viện cho Hoà Bình, vẫn không đánh thông được tuyến Sông Đà, phải chuyển sang củng cố tuyến đường 6, bảo vệ thị xã Hoà Bình.
-
Đợt 3 (7.1-25.2.1952): chuyển hướng tiến công chủ yếu sang đường 6 và bao vây thị xã Hoà Bình: tập kích tiêu diệt trận địa pháo và 4 vị trí địch ở trung tâm và ngoại vi thị xã; đánh cắt giao thông, làm tê liệt vân chuyển của địch trên đường 6, nhưng đánh cứ điểm Pheo (xem trận Pheo, 7.1.1952) và Đầm Huống không thành công.
Bị bao vây, cô lập ở Hoà Bình, lại bị đánh mạnh ở trung du, đồng bằng, sáng 23.2 quân Pháp buộc phải rút khỏi Hoà Bình theo cách cuốn chiếu.
Ta không tổ chức tốt việc đánh địch rút lui nên chỉ diệt được một số, còn phần lớn địch chạy thoát về Xuân Mai.
Kết quả: Loại khỏi chiến đấu hơn 6.000 địch, bắn rơi 9 máy bay, bắn chìm 17 tàu, xuồng, phá huỷ 12 khẩu pháo, hàng trăm xe vận tải, thu 24 khẩu pháo; giải phóng khu vực Hoà Bình-Sông Đà, giữ vững đường giao thông liên lạc giữa Việt Bắc với các liên khu 3 và 4, góp phần đẩy mạnh chiến tranh du kích vùng sau lưng địch, làm thất bại âm mưu giành lại quyền chủ động chiến lược và chia cắt chiến trường Bắc Bộ của Pháp (BĐMH176).