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東京灣事件是越戰的重大分水嶺。北越和美國雙方都把它看作對方的蓄意攻擊，並做出了強硬反應。北越越共遊擊隊對多處美軍基地進行了報復性攻擊。北越325師進入南越領土集結，標誌著北越正規軍（越南人民軍）對南越的公開進攻。美國政府宣稱北越攻擊了位於公海上的美國軍艦，但並未提及他們的任務。美國國會于8月7日通過“東京灣決議案”，授權總統以他的判斷動用包含武力在內的一切行為來應付此事件。這事實上給予了總統約翰遜在不經宣戰的情況下發動戰爭的權力，而他個人雖然一開始並不願意派兵參戰，不久後美國在越戰中的參與程度依舊無可避免的不斷攀升。1965年二月，美軍在Pleiku的基地遭到攻擊，美國空軍隨即發動第一次報復性打擊。3月8日，3500名美國海軍陸戰隊員在峴港登陸，成為第一批進入戰區的美軍戰鬥人員。7月24日，一架F-4C被射下後，約翰遜總統將在越美軍提升至十二萬五千人；翌日第101空降師的四千人員進入越南。11月27日，五角大廈要求提升美軍數目至四十萬人以便執行計劃中的大規模掃蕩行動；到了年底，美軍在越數目已高達十八萬四千人。到了1966年八月，已有多達四十二萬九千名美軍士兵駐守在越南。
正當美軍數目不斷增加的同時，在1965年8月18日，美國海軍陸戰隊的五千五百名士兵發動了戰爭中的第一場大規模陸戰；在空中支援並一場大規模炮擊下，美軍成功摧毀越共在Van Tuong的基地。同年11月14日星期日早上10時48分，美國第一騎兵師第七騎兵團的三個營和北越第66團在德浪河谷相遇，北越正規軍有2000人駐守，是奠邊府戰役的精銳之師，於是爆發美軍及北越間的第一場大規模戰鬥。3天激戰後，北越陣亡1037人，美軍陣亡234人，以平手收場，但北越將南越分為兩段的計劃也因此失敗。這兩場戰役使北越從此決定避免與美軍進行正面衝突，改而採取遊擊戰的戰術。
空中作戰也同樣的大規模提升；約翰遜批准了轟雷行動（滾雷行動），對北越進行大規模轟炸。然而美國對北越的所有轟炸行動與目標都由華盛頓進行嚴密的控制，每日的轟炸目標的選擇由國防部和白宮來規劃，前線指揮官無法根據實際需求加以修改。偏偏國防部與白宮非常擔心傷及中國或是蘇聯派駐在當地的顧問而引發的正面衝突，對於轟炸目標的選擇與交戰規則有非常多的限制，而這些限制往往與美國追求的戰術或是戰略目標完全背道而馳。例如，美軍在未經批准下無法攻擊北越的軍用機場，即使看到地面北越空軍的戰鬥機在準備起飛也不行。
因此，旨在阻止北越對南方的滲透的“轟雷行動”在這種綁手綁腳的指揮下，幾乎無法發揮功效。農業社會的北越的工業大多已地下化，剩下來的目標因有中蘇兩國的人員在附近而安全無恙；同時，因為不能攻擊蘇聯與中國的船隻或運輸部隊，使北越能順利的接收他們提供的軍資而武裝起軍隊。就這樣，北越武裝司令武元甲依然將他手下的部隊以驚人的速度派往南方；整團的北越正規軍分散進入胡志明小道，頂著空襲，進入南方集結。
在地面上，成功獲得大規模增兵的美軍駐越最高司令官威斯特摩蘭（Westmoreland）將軍發動了一系列“搜尋並摧毀（search and destroy）”的行動。他相信如以“德浪河谷戰役”時那樣，以大規模火力消耗敵軍人力，北越最終將被迫認輸。同時，北越軍隊則執行武元甲的消耗戰略，在精心準備的有利地形下吸引美軍進攻，激戰至傷亡達到一定程度後就撤離戰場。北越已做好準備承受巨大的傷亡，並且堅信無限制的消耗戰最終會迫使美國人撤出越南。
此時不論是威斯特摩蘭將軍或華盛頓的政治人物都不斷表示美軍正在取得勝利。但戰術上的勝利無助於改變美國的困境。因此，美國開始透過南越軍隊和一些美軍來進行和平化政策，希望加強對已控制住的鄉下地帶的統治及治安，避免再度被越共滲透。然而，南越軍隊的腐敗及對平民的殘暴使該政策基本上毫無進展。
這時，為了吸引北越軍隊進行正面戰鬥並阻止物資不斷透過胡志明小道進入南越，美軍決定投入大量部隊進入溪山基地。依照計劃，這將迫使北越部隊發動一場類似十年前，越南部隊擊敗法國軍隊的奠邊府戰役的攻擊。當雙方都大舉加強自己的陣地後，不斷的炮擊使戰場變的如同第一次世界大戰時的壕溝戰爭；於是美國開始動用龐大的空中火力，北越軍隊在攻勢被擊退三次後，決定開始撤離戰區。此戰役中，美國強大的後勤力、直升機、空中力量等，已數百的傷亡消滅了數倍的敵軍。然而事實上，這似乎是北越為了使美國分心的結果；因為美軍高層注意力幾乎都在溪山，以致于對接下來的春節攻勢幾乎完全沒有準備。
1968年1月底，北越發動了規模空前的春節攻勢。超過8萬北越軍隊和越共遊擊隊對南越幾乎所有的大小城市發起了進攻。然而南越百姓卻沒有如預期的發動大規模動亂，使北越部隊在遭受美軍壓倒性傳統武力的打擊下，大部分的攻勢都在最初的幾個小時內被擊潰，但在西貢中維持長達三天，越南的傳統首都順化激戰持續一個月。美軍溪山基地被圍困76天，因為破壞太嚴重，解圍後不得不放棄使用。在春節攻勢，北越部隊遭受約三萬餘陣亡、四萬負傷的沉重打擊；但到了5月，他們就恢復了進攻能力。春節攻勢的慘烈狀況在美國公眾中造成了震驚，約翰遜總統和威斯特摩蘭將軍一直宣稱北越軍事力量在節節削弱。並承諾戰爭會在短期內結束。但春節攻勢表明北越依然具有巨大的軍事力量，戰爭的結束依然遙遙無期。北越軍事上的失敗，卻同時是精神上以及宣傳上的大捷，使春節攻勢成為越戰中的轉戾點。政府高層內部因為春節攻勢而失去戰意。當威斯特摩籣將軍計划動用二十萬六千的增兵以完全消滅敵軍的要求被泄漏出去時，大眾更是普遍認為這是駐越軍隊的瀕死掙扎，最後迫使原本同意增援的約翰遜放棄增援。1968年3月31日，約翰遜發表演講，終止“轟雷行動”，表示美軍將逐步撤出越南，並宣佈放棄競選下任總統。1968年6月，阿布拉姆斯（Abrams）將軍接替威斯特摩蘭指揮在越美軍。
另外，受美國政府邀請的南韓，也從1965年開始派青龍、白虎、猛虎等戰鬥部隊，到1973年的九年間一共累計有三十萬以上的南韓士兵參加了越戰，最多時有五萬人在越南。其中4,687人戰死，射殺了四萬多名敵軍和平民。為了支付南韓的軍事開支，美國對南韓政府提供了10億左右美元。美國以外，南韓是最大的派兵國家。
另外美國的西太平洋友邦，包括日本、中華民國、菲律賓等國家或多或少皆有間接介入戰役，較廣為人知的是，美軍曾由台灣抽調空軍 F-5 戰機入越，並於台中派駐 F-4 中隊填補，目前台灣號稱東南亞最大的清泉崗機場，亦是為支援B-52進行轟炸而構築的機場。此外，台灣的軍事顧問、電子作戰以及特務人員在南越亦十分活躍，為此中華民國駐越大使館亦曾遭受攻擊。一般皆相信，台灣可能有派出少量的特種部隊入越參戰。
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