Thực hiện kế hoạch “tìm diệt”, giữa tháng 10.1965, Sư đoàn Bộ binh 1 (Anh cả đỏ) Mĩ đưa Lữ đoàn 3 lên lập căn cứ ở Lai Khê; ngày 10.11, lữ đoàn này cho 2 tiểu đoàn lên đóng chốt ở khu vực Bàu Bàng - Đồng Sổ (bắc Thủ Dầu Một 25 km), chuẩn bị phối hợp với Quân đội Sài Gòn càn quét vùng giải phóng để giải tỏa và tiếp tế cho Dầu Tiếng.
Về phía ta, tiếp sau thắng lợi của Chiến dịch Đồng Xoài (10.5-22.7.1965), Bộ tư lệnh Miền quyết định mở chiến dịch tiến công Bàu Bàng - Dầu Tiếng, nhằm tiêu diệt một bộ phận quan trọng sinh lực quân đội Sài Gòn và quân Mĩ, hỗ trợ cho đấu tranh chính trị ở vùng ven đô, phối hợp với chiến trường toàn miền Nam chống chiến lược “chiến tranh cục bộ” của Mĩ. Lực lượng tham gia chiến dịch có Sư đoàn Bộ binh 9, Tiểu đoàn Phú Lợi (bộ đội địa phương Thủ Dầu Một). Bộ tư lệnh Chiến dịch: Lê Trọng Tấn (Phó Tư lệnh quân Giải Phóng Miền Nam Việt Nam), Tư lệnh; Hoàng Cầm (Sư đoàn trưởng Sư đoàn 9) làm Phó Tư lệnh, Tham mưu trưởng. Địa bàn chiến dịch là khu vực Bàu Bàng - Dầu Tiếng ở bắc và tây bắc Sài Gòn, nơi có vùng giải phóng và vùng căn cứ xen kẽ với đồn bốt địch ở các thị trấn và trục đường giao thông.
Địa hình khu vực tác chiến phần lớn là rừng cao su và trảng trống, tiện cho địch đổ bộ bằng máy bay trực thăng và sử dụng xe tăng, thiết giáp; về phía ta có điều kiện thuận lợi để giấu quân và vận dụng cách đánh phục kích, tập kích. Lực lượng địch trong khu vực có Sư đoàn Bộ binh 1 Mĩ, Trung đoàn 7 (Sư đoàn Bộ binh 5) và 1 chiến đoàn thiết giáp, 1 tiểu đoàn bảo an, 6 tiểu đoàn pháo binh quân đội Sài Gòn.
Đầu tháng 10.1965, Bộ tư lệnh Chiến dịch xây dựng kế hoạch tác chiến có hai phương án: phương án một, tiến công tiêu diệt chi khu quận lị Dầu Tiếng và sẵn sàng đánh viện, sau đó phát triển xuống Bến Cát, hỗ trợ nhân dân nổi dậy phá ấp chiến lược, mở rộng vùng giải phóng; phương án dự bị là chuyển sang phản công nếu quân Mĩ nống ra theo đường 13, đường 16, đoạn từ Bàu Bàng đến Bàu Lồng (ngã ba đường vào Dầu Tiếng) để mở màn chiến dịch.
Ngày 10.11, trong khi ta đang gấp rút chuẩn bị để hôm sau nổ súng tiến công Dầu Tiếng thì 2 tiểu đoàn thuộc Lữ đoàn 3 Mĩ được tăng cường 2 chi đoàn tăng, thiết giáp, 1 đại đội pháo, từ căn cứ Lai Khê theo đường 13 lên phía bắc, đến 16 giờ ngày 10.11 dừng lại đóng quân thành hai cụm: một ở bắc ấp Bàu Bàng, một ở nam ấp Đồng số (nay thuộc xã Lai Uyên, huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương). Địch bố trí phòng ngự hình vòng, lấy xe tăng thiết giáp làm vỏ bọc. Để giữ bí mật, đề phòng ta tiến công, ban đêm địch thu hẹp đội hình, thay đổi vị trí, cụm một chuyển từ bắc xuống nam Bàu Bàng 200 m, cụm hai từ nam lên bắc Đồng Sổ.
Nắm vững thời cơ tiêu diệt địch ngoài công sự, Bộ tư lệnh quyết định mở màn chiến dịch theo phương án hai, sử dụng Sư đoàn 9 (thiếu 2 tiểu đoàn của Trung đoàn 1 đánh trận Đất Cuốc chưa về) tiến công quân Mĩ ở khu vực Bàu Bàng - Đồng sổ. Bộ tư lệnh Sư đoàn 9 khấn trương điều động lực lượng, triển khai thế trận, sử dụng Trung đoàn 2 được tăng cường Tiểu đoàn 1 (Trung đoàn 1) làm nhiệm vụ chủ yếu, tiến công cụm quân Mĩ; Trung đoàn 3 chặn đánh địch từ Đồng Sổ lên. Đêm 11.11, các đơn vị vận động vào bao vây áp sát địch; 5 giờ 30 phút ngày 12.11, các đơn vị đồng loạt nổ súng tiến công từ nhiều hướng, dùng cách đánh thọc sâu, chia cắt, kết hợp hỏa lực và xung lực, tạo thế xen kẽ, đánh gần, nhanh chóng đẩy quân Mĩ vào thế bị động dẫn đến tan vỡ từng mảng và bị tiêu diệt từng cụm.
8 giờ 40 phút trận đánh kết thúc, ta đánh thiệt hại nặng 2 tiểu đoàn bộ binh và 2 chi đoàn tăng - thiết giáp Mĩ, diệt và làm bị thương gần 2 nghìn địch, phá hủy 39 xe (phần lớn là xe tăng, xe thiết giáp), 8 pháo 105 mm. Ta có 109 cán bộ, chiến sĩ hi sinh, 200 người bị thương. Lần đầu tiên tập kích cụm quân Mĩ giữa ban ngày, trận đánh thể hiện tinh thần kiên quyết, chủ động tiến công và cách đánh táo bạo, dũng cảm của cán bộ, chiến sĩ Sư đoàn 9 (xem Trận Bàu Bàng, 12.11.1965).
Tuy thất bại ở Bàu Bàng nhưng Sư đoàn Bộ binh 1 Mĩ vẫn tiếp tục hành quân vào Dầu Tiếng nhằm giải tỏa cho quân đội Sài Gòn đang bị bao vây, uy hiếp, đồng thời tìm diệt chủ lực ta. Phán đoán đúng ý định của địch, Sư đoàn 9 gấp rút điều động lực lượng lập thế trận đánh địch càn quét: Trung đoàn 1 từ Đất Cuốc về bố trí sẵn ở làng 14, Trung đoàn 2 phục kích ở Căm Xe, Trung đoàn 3 đứng chân ở khu vực làng 10 làm lực lượng dự bị; Tiểu đoàn Phú Lợi tham gia đánh địch. Ngày 21.11, đoàn xe chở hơn 300 quân Mĩ hành quân trên đường Căm Xe - Dầu Tiếng bị Tiểu đoàn 4 (Trung đoàn 2) từ vị trí phục kích vận động tiến công phá hủy 20 xe, diệt gần 100 địch. Cùng ngày, Trung đoàn 3 tập kích quân đội Sài Gòn hành quân càn quét ở làng 10, phá hủy 26 xe, đánh thiệt hại 1 tiểu đoàn thuộc Chiến đoàn 7 (Sư đoàn 5).
Thực hiện kế hoạch chung, Chiến đoàn 7 buộc phải tiếp tục càn quét các làng 2, 6, 14 để hỗ trợ cho bảo an, dân vệ giữ vững các ấp chiến lược, bảo vệ trục đường giao thông huyết mạch, dọn đường cho quân Mĩ đổ quân vào “tìm diệt”. Chiều 27.11, địch từ làng 14 di chuyển đến làng 18 rồi tổ chức đóng quân dã ngoại ở làng 32, 33 (cách Dầu Tiếng 5 km). Trung đoàn 1 (Sư đoàn 9) được tăng cường 2 đại đội của Đoàn 70, chủ trương tập trung toàn bộ lực lượng đánh nhanh, đánh mạnh vào đội hình chưa kịp củng cố công sự của địch. Từ 5 giờ sáng đến 12 giờ trưa ngày 27.11, ba tiểu đoàn bộ binh được tăng cường đồng loạt tiến công trên 3 hướng, thực hiện chia cắt, đánh gần, tiêu diệt từng cụm quân địch; sau đó trụ lại, đánh lui nhiều đợt phản kích của quân đội Sài Gòn từ hướng làng 18 lên. Trung đoàn 1 đã tập kích trúng sở chỉ huy và 2 tiểu đoàn của Trung đoàn 7, diệt và bắt 1.200 địch, thực hiện thắng lợi trận then chốt thứ hai, kết thúc chiến dịch.
Kết quả, ta loại khỏi vòng chiến đấu hơn 4 nghìn địch, phá hủy hơn 100 xe quân sự, 10 pháo, cối, bắn rơi 2 máy bay, thu hơn 200 súng các loại. Chiến dịch Bàu Bàng - Dầu Tiếng là chiến dịch tiến công đầu tiên của Lực lượng vũ trang miền Đông Nam Bộ vào đối tượng quân Mĩ, thể hiện khả năng của Quân Giải Phóng Miền Nam Việt Nam đánh tiêu diệt từng đơn vị lớn quân Mĩ. Nét nổi bật về nghệ thuật trong chiến dịch này là: giành và phát huy quyền chủ động từ đầu và trong suốt quá trình chiến dịch; bố trí thế trận và tập trung lực lượng thích hợp để đánh tháng các trận then chốt.
Nguồn: Bách Khoa toàn thư Quân sự Việt Nam, Quyển 1: Lịch sử Quân sự (Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân - năm 2015)