Đầu tháng 5-1965, thực hiện nhiệm vụ của Bộ Chính trị và Quân ủy Trung ương đề ra, Trung ương Cục và Quân ủy Miền quyết định mở Chiến dịch Đồng Xoài nhằm tiêu diệt một bộ phận chủ lực quân đội Sài Gòn trước khi Mỹ tăng quân ồ ạt vào chiến trường miền Nam, hỗ trợ nhân dân đẩy mạnh chiến tranh du kích, nổi dậy phá ấp chiến lược, mở rộng vùng giải phóng trên địa bàn các tỉnh Bình Long, Phước Long và phía Bắc Bình Dương.
Chiến dịch được diễn ra quyết liệt, từ ngày 10-5 đến 22-7-1965, trên địa bàn rộng lớn gần 1.000km2 gồm các hướng chính là tỉnh Phước Long và tỉnh Bình Long. Chiến dịch được tổ chức thành 3 đợt tấn công. Đợt 1: từ ngày 10-5 đến 15-5-1965, hướng tấn công là tỉnh Phước Long, trọng tâm là Chi khu Phước Bình. Đợt 2 từ ngày 9-6 đến 12-6-1965: Quân ủy Miền và Bộ chỉ huy chiến dịch xác định khu vực quyết chiến sẽ diễn ra xung quanh Chi khu Đồng Xoài, lấy tiêu diệt Chi khu Đồng Xoài làm trận then chốt. Đêm 9-6, trong lúc ta đang triển khai đội hình chiến đấu thì một bộ phận bị lộ. Địch nổ súng trước và bắn về phía ta. Trận đánh kéo dài và trở nên ác liệt hơn do yếu tố bí mật của ta không còn. Đến 4 giờ sáng 10-6-1965, lực lượng ta làm chủ được Chi khu Đồng Xoài và khu biệt động. Trước tình thế đó, địch tăng cường chi viện: ngày 10-6-1965, địch đổ Tiểu đoàn 1 Trung đoàn 7 Sư đoàn 5 ngụy xuống Thuận Lợi với ý định hành quân bộ xuống cứu viện cho Chi khu Đồng Xoài. Sáng 11-6-1965, địch lại đổ tiếp Tiểu đoàn 7 dù và Tiểu đoàn 46 biệt động quân cùng 1 Đại đội pháo 105 xuống Đồng Xoài. Thực hiện quyết tâm của Bộ chỉ huy chiến dịch, ta triển khai thực hiện chiến thuật “đánh điểm, diệt viện” nhằm khống chế không cho máy bay địch đổ quân. Đến ngày 12-6, nhiệm vụ đánh diệt Chi khu Đồng Xoài và diệt viện binh địch xung quanh Chi khu Đồng Xoài đã hoàn thành, kết thúc đợt 2 của chiến dịch.
Đợt 3: đêm 15-7-1965, Trung đoàn 2 tập kích một tiểu đoàn hỗn hợp của Trung đoàn 7 Sư đoàn 5 ngụy, hành quân từ Bến Cát lên, dừng chân tại Bầu Bàng; ta tiêu diệt tại chỗ 400 quân địch. Trong lúc địch đang loay hoay đối phó ở hướng đường 13 thì ngày 20-7-1965, Trung đoàn 3 tập kích Trường huấn luyện biệt kích Bù Đốp bắt nhiều tù binh và thu nhiều vũ khí. Ngày 22-7-1965, nhận thấy quân địch đã rút vào cố thủ, khả năng chi viện rất ít nên Bộ tư lệnh chiến dịch quyết định kết thúc chiến dịch để củng cố lực lượng của ta.
Chiến dịch Phước Long - Đồng Xoài kéo dài 64 ngày đêm; các lực lượng vũ trang tham gia chiến dịch cùng với quân và dân Bình Phước đã tiêu diệt 4.500 tên địch, trong đó có 73 cố vấn Mỹ, bắn rơi 31 máy bay và nhiều phương tiện chiến tranh của địch. Đồng thời, bộ đội địa phương và du kích hoạt động rộng khắp, hỗ trợ đắc lực cho nhân dân phá ấp chiến lược: ở Bình Long 58 trong tổng 75 ấp chiến lược bị ta phá banh, phá rã; ở Phước Long, ta phá được 21 ấp chiến lược, dinh điền và 6 khu tập trung người dân tộc, giải phóng được 56.000 trong tổng 67.000 dân trên một vùng đất rộng lớn.
Chiến dịch Phước Long - Đồng Xoài, trọng điểm là chiến thắng Đồng Xoài là một chiến dịch có quy mô lớn, thắng lợi của chiến dịch có ý nghĩa to lớn trên nhiều mặt. Chiến thắng Đồng Xoài là bước ngoặt quan trọng làm thay đổi cục diện chiến trường Nam bộ; là một đòn tấn công quyết định làm thất bại chiến lược “chiến tranh đặc biệt” của Mỹ. Thắng lợi của Chiến dịch Đồng Xoài đã đánh dấu sự phát triển của chiến tranh nhân dân địa phương, sự trưởng thành của các lực lượng vũ trang ở miền Đông Nam bộ cả về xây dựng tác chiến và đảm bảo hậu cần, kỹ thuật.
Sự kiện Đồng Xoài rực lửa chiến công năm 1965 là minh chứng hào hùng về truyền thống đấu tranh cách mạng bất khuất của nhân dân tỉnh nhà. Chiến tranh đã đi qua nhưng những truyền thống tốt đẹp, bài học kinh nghiệm quý giá trong những năm tháng hào hùng ấy sẽ mãi là hành trang vô giá cho mỗi cán bộ, chiến sĩ và nhân dân Bình Phước bước tiếp trên những chặng đường lịch sử.