Lực lượng phòng không vừa mới được củng cố sức mạnh của Bắc Việt lại phải đối đầu ngay với một thử thách cực kỳ khắc nghiệt ngay trong nửa sau của tháng 12/1972.
Do các cuộc đàm phán hòa bình bị đổ vỡ, ngày 13/12/1972, phái đoàn Bắc Việt Nam rời Paris.
Nguyên nhân chủ yếu làm đàm phán bị gián đoạn là do Chính quyền Nam Việt Nam được Mỹ ủng hộ đã đưa ra những đòi hỏi không thể chấp nhận được.
Để buộc Chính phủ (Bắc) Việt Nam quay trở lại bàn đàm phán theo những điều kiện có lợi cho mình, người Mỹ bắt đầu phát động chiến dịch tấn công đường không quy mô lớn "Linebacker II".
Lực lượng được huy động tham gia vào chiến dịch này gồm có tới 188 máy bay ném bom chiến lược B-52, 49 máy bay tiêm kích- ném bom F-111A có khả năng ném bom từ độ cao thấp và hơn 800 máy bay các loại khác.
Chiến dịch bắt đầu vào chiều (tối) ngày 18/12/1972 bằng các đòn không kích cùng lúc vào các sân bay máy bay tiêm kích Bắc Việt và các trận địa tên lửa phòng không đã bị phát hiện từ trước đó.
Tiếp theo, mọi sức mạnh của Không quân chiến đấu Mỹ tập trung đánh phá dữ dội các mục tiêu công nghiệp quan trọng, đặc biệt là những mục tiêu trong khu vực thủ đô Hà Nội, thành phố cảng Hải Phòng và khu công nghiệp Thái Nguyên. Chiến dịch tấn công đường không ác liệt này kéo dài suốt 12 ngày đêm.
Trong suốt thời gian đó, Không quân Mỹ đã thực hiện 33 đợt tấn công ồ ạt: 17 đợt- bằng Không quân chiến lược, 16 đợt- bằng không quân chiến thuật và không quân hải quân với tổng cộng 2.814 lần máy bay xuất kích tác chiến, trong số đó có 594 lần xuất kích tác chiến của máy bay ném bom chiến lược B-52 "Pháo đài bay" Mỹ.
Khi đó, máy bay B-52 tiến hành 2 đợt tấn công (ném bom) vào một đoạn trên "Đường mòn Hồ Chí Minh" khu vực biên giới Việt Nam- Lào.
Từ thời điểm đó đến năm 1972, B-52 thường xuyên ném bom các tuyến đường vận tải và trận địa của "Việt Cộng" tại Nam Việt Nam. Những B-52 tham chiến tại Việt Nam cất cánh từ sân bay "Andersen" tại Guam và Utapao tại Thái Lan.
Trách nhiệm chủ yếu trong cuộc chiến chống B-52 lần này được Bộ Tư lệnh Việt Nam giao cho chính các phân đội tên lửa phòng không. Đến thời điểm đó (12/1972-ND), VNDCCH đã có khoảng 40 tiểu đoàn tên lửa phòng không trang bị SA-75M.
Ngay vào cuối những năm 60, các tổ hợp tên lửa SA-75M đã gần như hoàn toàn do các phân độiViệt Nam điều khiển, họ (các phân đội Việt Nam) đã nghiên cứu kỹ và nắm vững loại phương tiện kỹ thuật quân sự rất phức tạp này, biết cách ngụy trang thành thạo các tổ hợp trong rừng rậm và bố trí các trận địa phục kích trên các tuyến bay thường xuyên của Không quân Mỹ.
Trong nhiều trường hợp, các tiểu đoàn tên lửa Việt Nam hoạt động với biên chế rút gọn: chỉ mang 1-2 bệ phóng và radar dẫn đường SNR-75.
Việc sục sạo tìm mục tiêu được thực hiện bằng mắt thường bởi vì nếu sử dụng radar P-12 sẽ làm lộ trận địa và thực ra P-12 cũng quá nặng và cồng kênh nên khó vận chuyển.
Nạn nhân thường xuyên của các tổ hợp phòng không Bắc Việt Nam trong những "chuyên đi săn" như vậy thường là các máy bay không người lái, máy bay trinh sát chiến thuật bay đơn lẻ hoặc máy bay tấn công (cường kích) bay cách xa đội hình chính của các tốp máy bay tấn công.
Trong một lần "đi tập kích" như vậy vào ngày 22/11/1972 tại một khu vực nằm giữa khu phi quân sự (vĩ tuyến 17 —ND) và vĩ tuyến 20, tên lửa phòng không Việt Nam đã bắn hạ chiếc máy bay ném bom chiến lược B-52D Mỹ đầu tiên.
Chiếc B-52D này bị thương nặng do đầu tác chiến tên lửa V-750V nổ ngay bên cạnh, — tổ lái Mỹ đã cố điều khiển máy bay về được đến Thái Lan và nhảy dù.
Máy bay ném bom này có thể mang 108 quả bom hàng không 227 kg Mk-82 với tổng trọng lượng 24.516 kg. Thường thì B-52 cắt bom ở độ cao 10-12 km.
Khi đó trên mặt đất sẽ có một khu vực diện tích 1.000 x 2.800 m bị bị hủy diệt gần như hoàn toàn.
Nếu tính đến việc cùng một lúc Mỹ có thể huy động tới 100 máy bay ném bom (B-52) tham gia tấn công, những tổn thất mà loại máy bay này có thể gây ra cho nền kinh tế và tiềm lực quốc phòng của Bắc Việt Nam là cực kỳ lớn.
Để hạn chế tối đa tổn thất vì Không quân tiêm kích Không quân Quân đội nhân dân Việt Nam và giảm thiểu hiệu quả của hỏa lực pháo phòng không, các máy bay B-52 chỉ đánh phá VNDCCH hoàn toàn vào ban đêm (trong Chiến dịch Linerbacker II-ND). Tuy nhiên, (Mỹ) cũng không tránh được tổn thất nặng.
Đã có trường hợp có tới 10-12 quả đạn tên lửa phòng không có điều khiển phóng vào một chiếc máy bay ném bom.
Vì đến cuối năm 1972 đó phần lớn các máy bay ném bom chiến lược Mỹ được trang bị máy phát nhiễu chủ động băng tần rộng công suất cực mạnh, các sỹ quan điều khiển (Bắc Việt) nhiều lúc không thể bám được mục tiêu nên đã dẫn tên lửa vào trung tâm vùng nhiễu.
Kết quả là trong đêm hôm đó (19/12), Bộ đội phòng không Bắc Việt Nam đã bắn hạ 6 máy bay B-52, bắn bị thương một số chiếc khác.
Bộ đội tên lửa cũng đã phát hiện ra rằng nếu phóng nhiều tên lửa phòng không có điều khiển vào cùng một mục tiêu thì các phương tiện tác chiến điện tử (của B-52) không thể đảm bảo khả năng vô hiệu hóa hoàn toàn các tên lửa phòng không.
Nhưng trong thời gian đó máy bay trinh sát vô tuyến kỹ thuật Mỹ vẫn liên tục cất cánh để sục tìm các trận địa tên lửa phòng không và các đài radar Bắc Việt để sau đó để các phương tiện tác chiến điện tử Mỹ chế áp hoặc máy bay cường kích tiêu diệt.
Người Mỹ tạm thời dừng không áp dụng chiến thuật bay thành các nhóm lớn và chỉ điều từng tốp gồm 9-30 máy bay ném bom đi thực hiện nhiệm vụ.
Trong đợt không kích này, Mỹ thử áp dụng chiến thuật mới- tiến hành 7 đợt công kích, mỗi đợt có từ 5-6 tốp tham gia, mỗi tốp gồm 3 chiếc bay đến ném bom mục tiêu từ các hướng khác nhau và bay trên các độ cao khác nhau.
Xác xuất bị tổn thương của các máy bay ném bom chiến lược Mỹ các biến thể khác nhau cũng khác nhau.
Các chuyên gia nhận xét rằng B-52D do được trang bị thiết bị phát nhiễu ALT-28ЕСМ nên ít bị tổn thương so hơn B-52G không có thiết bị tương tự.
Để bảo vệ mình, các máy bay không quân chiến thuật và không quân hải quân Mỹ buộc phải mang thêm các container thiết bị tác chiến điện tử treo dưới cánh nên phải giảm bớt trọng lượng tác chiến (bom).
Ngoài ra, trên các tuyến bay của máy bay tấn công, các máy bay trinh sát và tác chiến điện tử cũng thả hàng chục tấn lá nhôm mỏng để làm mù các radar quan sát Bắc Việt-trong trường hợp bị thả nhiễu nhiều như vậy, chúng (radar) gần như không thể phát hiện các máy bay Mỹ, còn những radar dẫn đường rất khó dẫn tên lửa đến mục tiêu.
Sử dụng không quân tiêm kích để đánh chặn các "pháo đài chiến lược" Mỹ cũng là một nhiệm vụ không hề đơn giản. Tuy trông có vẻ như các "pháo đài bay" tốc độ thấp, cồng kềnh bay thành từng tốp lớn là các mục diêu dễ xơi đối với các máy bay tiêm kích siêu âm MiG-21.
Nhưng trên thực tế, các phi công MiG Bắc Việt đã không thể đạt được những kết quả đến mức buộc người Mỹ phải dừng sử dụng B-52.
Những nỗ lực đánh chặn B-52 đầu tiên bằng MiG-21PF đã từng được Không quân Bắc Việt thực hiện trong tháng 3/1969.
Trong nửa đầu năm 1971, các MiG cũng đã tiến hành nhiều đợt công kích (B-52) nhưng đều chưa thành công.
Đánh chặn "Các pháo đài bay" vào ban đêm là cực kỳ phức tạp vì chế áp điện tử mạnh. Người Mỹ không chỉ phát nhiễu nhằm vào các radar quan sát P-35, mà còn làm điếc các kênh vô tuyến dẫn đường cho máy bay tiêm kích.
Biện pháp sử dụng radar trên MiG-21PF cũng không đem lại kết quả, Khi mở radar RP-21 của máy bay MiG, màn hình trắng xóa do bị nhiễu nặng. Ngoài ra, sóng radar trên MiG bị các radar cảnh giới lắp trên các máy bay ném bom Mỹ bắt được ngay và máy bay dánh chặn MiG lập tức bị lộ.
Và ngay sau đó, các pháo thủ trên máy bay B-52 và các máy bay tiêm kích Mỹ bay hộ tống sẽ vào cuộc để vô hiệu hóa MiG.
Lần đầu tiên MiG-21PF tấn công thành công B-52 là vào ngày 20/10/1971.
Chiếc tiêm kích MiG-21PF được đài mặt đất dẫn dường đến máy bay ném bom, phi công bật radar RP-21 trong một khoảng thời gian rất ngắn để xác định lại vị trí mục tiêu và sau đó đã phóng quả tên lửa R-3S từ cự ly tối đa.
Đầu tự dẫn hồng ngoại của tên lửa bắt được nhiệt của động cơ B-52 và đã dẫn tên lửa lao vào máy bay, tuy nhiên,quả tên lửa có điều khiển cỡ nhỏ được thiết kế để tiêu diệt các mục tiêu là máy bay bay chiến thuật này dù bắn trúng B-52 nhưng vẫn không hạ được nó-chiếc máy bay B-52 Mỹ bị thương này vẫn bay về đến căn cứ.
Trong lần này, Bắc Việt sử dụng các máy bay MiG-21MF hiện đại hơn (so với MiG-21PF-ND). Số phận đã mỉm cười với phi công Phạm Tuân thuộc Trung đoàn máy bay tiêm kích 921 vào đêm 27/12.
Do có hoạt động phối hợp ăn ý với đài radar dẫn đường, phi công Việt Nam Phạm Tuân đã lách qua được đội hình máy bay tiêm kích Mỹ hộ tống và tiếp cận được một tốp 3 chiếc B-52 đang bay không bật đèn tín hiệu hàng không.
Phạm Tuân phóng liên tiếp 2 quả tên lửa từ cự ly 2.000 m, hạ một chiếc B-52 và quay trở về căn cứ an toàn.
Ngay sau đó, các B-52 còn lại trong tốp vội vàng cắt hết bom và bay ngược trở lại. Do lập được chiến công này mà Phạm Tuân đã được phong tặng Danh hiệu Anh hùng (Lực lượng vũ trang) Việt Nam.
Chiếc B-52 thứ hai bị Không quân tiêm kích- đánh chặn Bắc Việt bắn hạ tiếp vào ngay đêm hôm sau.
Nhưng trên mặt đất thì bên cạnh những mảnh xác máy bay B-52, người ta phát hiện các mảnh vỡ của máy bay tiêm kích MiG-21MF. Khả năng chắc chắn hơn cả trong trường hợp phi công Vũ Xuân Thiều là phi công máy bay tiêm kích MiG-21MF này khi công kích đã lao thẳng vào máy bay B-52 Mỹ hoặc đã phóng tên lửa ở cự ly quá gần nên không kíp thoát ly và hy sinh vì mảnh bom của B-52 khi chúng phát nổ.
Các đợt tập kích của máy bay B-52 kéo dài đến ngày 28/1/1972 và kết thúc chỉ vài giờ trước khi Hiệp định hoà bình Paris được ký.
Trong chiến dịch Linebacker II này, các máy bay B-52 Mỹ đã ném xuống 34 mục tiêu khoảng 85.000 quả bom tổng trọng lượng hơn 15.000 tấn.
Không quân chiến lược Mỹ đã phá hủy và làm hư hỏng nặng 1.600 công trình, tòa nhà và các mục tiêu khác.
Đã đốt cháy các kho chứa xăng tổng dung tích 11,35 triệu lít, làm hư hỏng nặng 10 sân bay và 80% các nhà máy điện.
Theo các số liệu chính thức của phía Việt Nam, tổn thất trong dân thường là 1.318 người chết và 1.260 người bị thương.
Theo các số liệu Xô Viết, trong cuộc chiến đấu đánh trả "cuộc tấn công đường không năm mới" (nguyên văn), quân dân Bắc Việt đã bắn rơi 81 máy bay đối phương, trong số đó có 34 máy bay ném bom chiến lược B-52.
Theo các số liệu của Mỹ có 31 chiếc máy bay bị rơi, trong đó có 17 chiếc được xác định là tổn thất trong tác chiến (bị bắn rơi), 1 máy bay ném bom bị loại biên do hư hỏng nặng trong tác chiến và không thể sửa chữa được, 11 chiếc bị rơi do "trục trặc kỹ thuật trên không", 1 chiếc bị loại biên do lý do ngoài tác chiến.
Có một điều tương đối chắc chắn là số máy bay được gọi là "rơi do trục trặc kỹ thuật trên không"- đó là nạn nhân của tên lửa hoặc pháo phòng không Bắc Việt.
Có thể dẫn ra một trường hợp để chứng minh: một B-52 bị mảnh đầu tác chiến tên lửa phòng không làm hỏng nặng đã cố bay về được đến căn cứ nhưng khi hạ cánh đã trượt khỏi đường băng và phát nổ trên bãi mìn chống du kích quanh sân bay, — duy nhất chỉ có một xạ thủ súng máy ngồi phía đuôi máy bay là còn sống sót.
Sau này, Mỹ đã đưa chiếc máy bay này vào danh sách " phát nổ do trục trặc kỹ thuật khi bay".
Nhưng tổng cộng, người Mỹ thừa nhận là các tổ hợp tên lửa phòng không SA-75M tại Việt Nam đã bắn hạ tới 205 chiếc máy bay chiến đấu Mỹ.