Càng bị thua đau ở miền Nam, Mỹ càng tăng cường chống phá miền Bắc. Ngày 17/4/1964, Bộ Tư lệnh Thái Bình Dương Mỹ đưa ra kế hoạch đánh phá các tuyến vận chuyển chiến lược của ta chạy dọc biên giới Việt Nam - Lào, Việt Nam - Campuchia nhằm ngăn chặn sự chi viện từ Bắc vào Nam. Hội đồng Tham mưu trưởng liên quân Mỹ thông qua kế hoạch dùng không quân, hải quân đánh phá 94 mục tiêu trên miền Bắc của ta. Dự tính kế hoạch phải hoàn thành trong 12 ngày với sự tham gia của toàn bộ lực lượng không quân Mỹ ở Thái Bình Dương. 

Thực hiện kế hoạch trên đây, Hội đồng Tham mưu trưởng liên quân Mỹ đề nghị Tổng thống Mỹ nên có "một chiến dịch khiêu khích Bắc Việt Nam”. 

Với ý đồ trên, trong ngày 1 và 2/8/1964, các máy bay T28 của phái hữu Lào được Mỹ, sử dụng bắn phá các đồn biên phòng Nậm Cắn và Noọng De ở Nghệ An. Ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ, tàu Ma-đốc tiếp tục tiến về phía Bắc, xâm phạm hải phận của nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa và gây ra một số vụ khiêu khích đối với thuyền đánh cá của ngư dân miền Bắc. 

Trước hành động ngang ngược đó, ngày 2/8/1964, một phân đội tàu phóng lôi của hải quân ta do chỉ huy trưởng Lê Duy Khoái chỉ huy đã phóng ngư lôi truy đuổi tàu Ma-đốc, buộc tàu này phải rút ra khỏi vùng biển quốc tế. 

Nhà trắng và Lầu Năm Góc làm rùm beng "sự kiện Vịnh Bắc Bộ”, lấy cớ mở rộng cuộc chiến tranh không quân, hải quân, đánh phá miền Bắc và đưa quân viễn chinh Mỹ vào miền Nam Việt Nam, trực tiếp tiến hành chiến tranh xâm lược. Ngày 5/8/1964, Mỹ dùng không quân đánh phá miền Bắc Việt Nam. 

Hai ngày sau, Quốc hội Mỹ chính thức thông qua nghị quyết sai trái về "sự kiện Vịnh Bắc Bộ” với đa số phiếu áp đảo. 12 giờ 30 phút ngày 5/8/1964, không quân Mỹ mở cuộc tiến công bằng bom đầu tiên xuống miền Bắc Việt Nam được gọi là "mũi tên xuyên”. 

Nhờ chuẩn bị từ trước với tinh thần cảnh giác cao, các lực lượng vũ trang và Nhân dân ta không bị bất ngờ. Mạng ra-đa cảnh giới của ta kịp thời phát hiện các tốp máy bay địch trên từng hướng và thông báo cho các đơn vị phòng không, pháo cao xạ, hải quân và dân quân, tự vệ sẵn sàng đánh trả. 

Tại Cửa Hội (Nghệ An), lúc 12 giờ 30 phút, 8 máy bay Mỹ lao vào ném bom đã bị lưới lửa phòng không trên các tàu hải quân và trên đất liền bắn rơi một chiếc ở phía tây đảo Hòn Mắt 2 km. Một tốp khác 8 chiếc lợi dụng sự che khuất của núi từ phía tây lao đến ném bom cảng sông Gianh (Quảng Bình). Các trận địa phòng không và tàu hải quân cùng với dân quân xã Cảnh Dương bắn cháy một chiếc rơi xuống biển, bắn bị thương một chiếc khác. 

Tại Hòn Gai, Bãi Cháy, một tốp 8 chiếc vừa lao xuống ném bom bị hỏa lực các cỡ của bộ đội phòng không, hải quân, dân quân bắn trả mãnh liệt, một chiếc A4 trúng đạn rơi xuống vùng biển Hà Tu, tên giặc lái - Trung úy I.Anvơrét nhảy dù xuống biển. Thượng sĩ cơ yếu Nguyễn Kim Bảo của Quân khu Đông Bắc cùng hai chiến sĩ biên phòng đang trên đường ra đảo Cô Tô bằng thuyền đã cùng dân quân địa phương tổ chức bắt sống tên phi công Mỹ. 

Hồi 14 giờ 45 phút, máy bay Mỹ tiếp tục đánh Bãi Cháy, Lạch Trường, bị ta bắn rơi 3 chiếc, bắn bị thương một chiếc khác. 16 giờ 20 phút, máy bay Mỹ ném bom cảng sông Gianh lần thứ hai. Lực lượng phòng không và dân quân của ta ở đây cảnh giác, nổ súng đúng thời cơ, bắn rơi 2 chiếc (một chiếc rơi ngoài biển cách cửa sông Gianh 25km, một chiếc rơi ở vùng Cự Nẫm, huyện Bố Trạch): Tại Cửa Hội, chiều hôm đó, làm máy bay Mỹ lao vào nhưng bị hoả lực của ta bắn mạnh, chúng phải tháo chạy. 

Cuộc ném bom miền Bắc đầu tiên của không quân Mỹ ngày 5/8/1964 đã bị quân, dân ta bắn rơi tám máy bay phản lực, bắn bị thương hai chiếc khác, bắt sống một giặc lái. Tỷ lệ thiệt hại của Mỹ là 12% so với số lần máy bay xuất kích (64 lần xuất kích). Đó là điều hoàn toàn bất ngờ đối với không quân Hoa Kỳ.

Thắng lợi này củng cố niềm tin của quân và dân ta, tạo nên khí thế mới quyết chiến, quyết thắng giặc Mỹ xâm lược, bảo vệ vững chắc hậu phương lớn, tăng cường sức mạnh cho miền Nam tiến công và nổi dậy. Ngày 7/8/1964, Chủ tịch Hồ Chí Minh dự lễ tuyên dương công trạng của các đơn vị không quân và hải quân đã lập chiến công đánh thắng trận đầu. Trong bài phát biểu, Người đưa ra thông điệp: "Nhân dân ta rất yêu chuộng hòa bình; nhưng nếu đế quốc Mỹ và tay sai xâm phạm đến miền Bắc nước ta, thì toàn dân ta nhất định sẽ đánh bại chúng”. 

Nhân kỷ niệm 10 năm ngày thành lập Quân chủng Hải quân của Quân đội nhân dân Việt Nam (8/5/1965), Chủ tịch Hồ Chí Minh viết thư bày tỏ: "…Bác rất vui lòng khen ngợi thành tích vẻ vang về xây dựng và chiến đấu của các chú. Tuy còn non trẻ… hải quân ta đã anh dũng chiến đấu, tích cực tiêu diệt địch, bắn rơi máy bay và đánh đuổi tàu chiến Mỹ, đoàn kết lập công, bảo vệ nhân dân, bảo vệ vùng trời và vùng biển của Tổ quốc. Các chú đã nêu cao truyền thống anh hùng của dân tộc ta…”.