Có lẽ Võ Nguyên Giáp nghĩ rằng quân đội của ông đã trưởng thành nên
không cần sự ủng hộ của các đơn vị du kích. Bên cạnh đó, kỷ luật quân đội,
các thứ vũ khí do Trung Quốc viện trợ và lòng dũng cảm là đủ. Tuy nhiên,
Võ Nguyên Giáp vẫn ra lệnh lập các kho vũ khí dự trữ dọc đường tiến quân.
Với sự nỗ lực không thể tin được, dân công miền Bắc đã chăm chỉ chở gạo,
vũ khí, đạn dược, lương thực, thuốc men cần thiết đến những chỗ quy định
để ủng hộ các đơn vị chủ lực đang đánh địch ở Vĩnh Yên. Võ Nguyên Giáp
dự tính sẽ đưa ra tiền tuyến 5.000 tấn gạo, đạn dược và vật dụng khác, tất cả
tốn chừng hai triệu ngày công. Rồi ông ra lệnh cho mọi người vào tư thế sẵn
sàng chiến đấu. Khối chủ lực gồm 61 tiểu đoàn bộ binh, 12 tiểu đoàn có vũ
khí nặng, 8 tiểu đoàn công binh. Tất cả đã sẵn sàng.
Đến 17 giờ ngày 17/1/1951, Võ Nguyên Giáp ra lệnh cho hai đại đoàn
308 và 312 xuất phát tiến công. Được yểm trợ bằng súng cối và trọng liên,
một đại đoàn tiến hành các đợt xung phong liên tiếp lên bốn quả đồi ở phía
bắc và phía đông thành phố nhưng không thành công. Mặc dù có viện trợ
của Trung Quốc nhưng bộ đội của Võ Nguyên Giáp vẫn kém về hỏa lực, về
tổ chức tấn công nên không đủ sức để đẩy lui quân địch. Quân Pháp đã tăng
cường binh đoàn phòng thủ Vĩnh Yên bằng hai đơn vị cùng loại. Ngoài ra,
máy bay thả bom na-pan mới lấy ở kho Hải Phòng do tàu Mỹ chở đến. Thứ
vũ khí hóa học đó cộng với đạn pháo tập trung đã gây nhiều thiệt hại cho đội
hình của Võ Nguyên Giáp. Trưa ngày 18/1, nhận thấy không thể chọc thủng
hệ thống phòng thủ của Pháp, Võ Nguyên Giáp hạ lệnh thu quân. Quân Pháp
tại Vĩnh Yên vẫn giữ được quyền kiểm soát thị xã.
Khói súng vừa tan, Võ Nguyên Giáp đã lượng định được kết quả trận
đánh. Trong hai đại đoàn tham dự trận đánh, số lính tử trận lên tới 6.000
người, bị thương 8.000 và bị bắt làm tù binh 500 người. Bom na-pan là tác
nhân chính gây thiệt hại. Trong bốn năm đấu tranh, đây là lần đầu tiên Võ
Nguyên Giáp chịu thất bại.
Ông đã nhận thấy đây là một sai lầm. Ông biết một cuộc tiến công mới
chống Pháp sẽ mở ra con đường tiến về Hà Nội. Không nản lòng, ông quyết
