Thị trấn Đồng Xoài (chính quyền Sài Gòn gọi là quận lị Đôn Luân) nằm ở ngã tư đường liên tỉnh lộ 13 với quốc lộ 1A và đường liên tỉnh lộ 14, có giá trị khống chế các trục giao thông huyết mạch nối liền miền Đông Nam Bộ với Nam Tây Nguyên và Campuchia. Quân đội Sài Gòn lợi dụng 2 quả đồi ở phía tây bắc thị trấn để xây dựng căn cứ quân sự gồm chi khu Đồng Xoài (Đôn Luân), khu biệt động quân, khu cơ giới và khu ấp chiến lược; với lực lượng gồm 3 đại đội biệt kích, 1 đại đội bảo an, 1 đại đội dân vệ, 1 trung đội pháo binh, 1 trung đội cảnh sát, 2 chi đội xe thiết giáp bánh lốp, 42 cố vấn quân sự Mĩ, 300 công an dân vụ và lực lượng tề điệp, đặt dưới quyền chỉ huy của Đại úy Quận trưởng quận lị Đồng Xoài. Căn cứ được xây dựng công sự kiên cố, có hầm ngầm, vật chướng ngại phức tạp, binh hỏa lực mạnh và áp dụng nhiều biện pháp bảo vệ, đề phòng đối phương tập kích bất ngờ. Nhưng lực lượng địch ở đây gồm nhiều thành phần hỗn hợp nên khó chỉ huy thống nhất; căn cứ ở vị trí biệt lập nên việc chi viện pháo binh trực tiếp bị hạn chế, việc chi viện đường bộ cũng khó khăn do địa hình phức tạp, đường giao thông dễ bị chia cắt, vì vậy khả năng chi viện duy nhất là đổ bộ đường không bằng máy bay trực thăng.
Sau đợt 1 chiến dịch Đồng Xoài, Bộ tư lệnh chiến dịch xác định nhiệm vụ then chốt, mục tiêu chủ yếu của đợt 2 là tiêu diệt chi khu Đồng Xoài, sau đó khống chế buộc địch phải đổ quân xuống khu vực ta đã chuẩn bị để tập trung tiêu diệt lớn quân địch. Dự kiến nếu đêm 9.6 ta chưa tiến công dứt điểm thì Trung đoàn 2 (còn gọi là e272) phải giữ vững khu vực đã chiếm, diệt số địch còn lại và khống chế các khu vực không cho địch đổ quân xuống chi khu Đồng Xoài, buộc địch phải đổ quân bằng máy bay trực thăng xuống khu đồn điền Thuận Lợi, tạo điều kiện cho Trung đoàn 1 (còn gọi là e271) tiêu diệt. Trận đánh do Trung đoàn trưởng Tạ Minh Khâm và Chính ủy Nguyễn Văn Quảng chỉ huy. Kế hoạch chiến đấu, Tiểu đoàn 5 được tăng cường 8 ĐKZ 75 mm, 6 súng phun lửa tiến công hướng chủ yếu, đánh chiếm chi khu Đồng Xoài từ phía tây và tây bắc. Tiểu đoàn 4 được tăng cường 3 cối 82 mm, 2 súng máy 12,8 mm, 3 ĐKZ 75 mm, 3 súng phun lửa tiến công hướng thứ yếu, đánh chiếm khu biệt động quân, khống chế không cho địch đổ bộ đường không xuống khu này và ấp chiến lược. Tiểu đoàn 8 (thuộc trung đoàn 3, còn gọi là e273) được tăng cường 1 ĐKZ 75 mm, 2 súng máy 12,8 mm tiến công hướng bổ trợ, đánh vào phía đông và nam chi khu. Tiểu đoàn 6 là thê đội 2 của trung đoàn sẵn sàng bước vào chiến đấu trên hướng chủ yếu của trung đoàn thay Tiểu đoàn 5 đột phá tiền duyên hoặc đánh vào tung thâm; thời gian nổ súng là 24 giờ ngày 9.6.

Trận Đồng Xoài 9-10/6/1965

Trên hướng chủ yếu, 22 giờ 15 phút ngày 9.6, trong khi các đơn vị vào chiếm lĩnh trận địa và đang tổ chức đào công sự, hỏa lực địch trong chi khu bất ngờ bắn dữ dội vào vị trí các tiểu đoàn 4 và 5. Trận đánh diễn ra sớm gần 2 giờ so với kế hoạch, do các tiểu đoàn 8 và 4 lần lượt nổ súng khi chưa có lệnh, dẫn đến việc các hướng nố súng không đồng loạt, bị hỏa lực mạnh của địch chế áp; tiếp đó, khi các mũi mới mở được 2-3 lớp hàng rào, địch cho xe thiết giáp ra ngăn chặn và tập trung hỏa lực khống chế gây cho ta nhiều thương vong. Do bị địch chống trả quyết liệt, đến 24 giờ ngày 9.6, nhiệm vụ mở cửa mở vẫn chưa hoàn thành; trước tình hình đó, các tiểu đoàn 4 và 5 được lệnh điều chỉnh lại lực lượng, tổ chức đột phá lần hai vào hồi 1 giờ ngày 10.6, đồng thời trung đoàn trưởng quyết định đưa Tiểu đoàn 6 vào tăng cường chiến đấu. Trên mũi chủ yếu, Tiểu đoàn 5 đưa Đại đội 7 vào thay Đại đội 5 đột phá vào tung thâm và đánh vào các khu vực trận địa cối, nhà kho, lô cốt hầm ngầm khu bảo an, nhà văn phòng quận, khu gia binh bảo an. Trên hướng thứ yếu,

Tiểu đoàn 4 phát triển thuận lợi, đánh chiếm khu biệt động quân, làm chủ ấp chiến lược nhà thờ, bắt 35 quân địch. Từ sáng đến trưa 10.6, địch sử dụng máy bay ném bom na pan, phóng rôcket vào các khu vực phía tây và tây bắc chi khu, khu biệt động quân và khu ấp chiến lược để chuẩn bị đổ quân phản kích. Từ 15 giờ 30 phút đến 16 giờ 30 phút ngày 10.6, địch tiếp tục đổ Tiểu đoàn Biệt động quân 52 xuống khu vực cách ngã tư thị trấn Đồng Xoài 2,5 km về phía đông bắc, lực lượng này bị Tiểu đoàn 4 chặn đánh tại khu ấp chiến lược diệt gọn 1 đại đội; 17 giờ ngày 10.6, ta kết thúc trận đánh. Kết quả, ta loại khỏi chiến đấu hơn  600  quân địch (có 42 cố vấn Mĩ) thu 148  súng các loại, 4 xe AM đầy đủ trang bị, gần 16.730 viên đạn và nhiều đồ dùng quân sự khác; bắn rơi 7 máy bay trực thăng, bắn bị thương 2 chiếc, phá hủy hơn 250 súng (có 2 pháo 105 mm, 3 trọng liên 12,7 mm, 13 trung liên, 7 đại liên, 3 ca nông), 3 xe AM và hơn 8 tấn đạn dược các loại; ta hi sinh 134, bị thương 290 người.

Chi khu Đồng Xoài bốc cháy

Trận Đồng Xoài là trận đánh then chốt tạo điều kiện cho chiến dịch phát triển thắng lợi, đánh dấu bước trưởng thành của bộ đội chủ lực miền Đông Nam Bộ về đánh địch trong công sự vững chắc (công kiên) có nhiều binh chủng hiệp đồng chiến đấu. Về chiến thuật, Trung đoàn 2 đã nắm vững tư tưởng chỉ đạo tác chiến quán triệt vào hành động của bộ đội, vận dụng nguyên tắc cơ bản của chiến đấu tiến công vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể, chọn và tập trung lực lượng vào hướng chủ yếu, vận dụng tốt chiến thuật “một điểm nhiều mặt” và “một đội nhiều tổ” giành thắng lợi.

Nguồn: Bách Khoa toàn thư Quân sự Việt Nam, Quyển 1: Lịch sử Quân sự (Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân - năm 2015)