從1964年8月到1972年底，越南上空成了現代化作戰手段進行較量的「試驗場」，美國空軍第七航空隊和美國海軍第七艦隊艦載航空兵部隊聯合實施代號為「滾雷」行動的大規模空襲戰爭，共投入戰術作戰飛機30.4萬架次，戰略轟炸機2380架次，轟炸10.77萬次，投擲各種型號的炸彈258萬噸，越南北方平均每平方公里落彈16.2噸，轟炸密度遠遠超出了歷史上任何一次戰爭。
為了使「滾雷行動」發揮最大的戰略效果，美軍投入了當時能夠動用的最大力量和除核武器以外的最先進武器，堪稱現代版的高技術空襲戰：
一是持續時間長，轟炸範圍廣
轟炸從1965年3月2日開始，歷時整整3年零8個多月，轟炸範圍遍及於北越廣大地區，從最初的軍事系統和港口，後迅速擴大到水陸交通系統、工業區、發電系統、儲油設施及居民區和產糧區。
二是指揮嚴密，計劃靈活
整個指揮分批准、執行、協調三個層次：總統掌握最高決定權；國防部長根據總統意圖命令實施轟炸暫停轟炸和恢復轟炸；參謀長聯席會議負責批准計劃；太平洋總部司令負貴制定計劃和報告效果，並通過太平洋艦隊司令、太平洋空軍司令和美國駐南越「軍事援助」司令部司令，實施經批准的計劃。協調權委託給駐南越空軍第2師師長。作戰程序由第7航空隊和第7艦隊共同制定。
太平洋總部司令將轟炸目標劃分為六個基本目標系統。制定計劃時，按目標系統一次上報所要轟炸的目標，上級作整體批准，執行時「可以根據情報和氣候等因素確定」。轟炸任務由第7航空隊和海軍第7艦隊艦載機擔負，西貢空軍也執行一定任務。按地理位置將北越劃為7個區域，各部轟炸機分別由泰國基地、南越基地和航母起飛，以最近距離，分區遂行任務。
三是戰役式轟炸，最先進武器開路
轟炸通常以一次計劃為一個行動編號，一個編號包括若干次襲擊，一次襲擊只攻擊一個目標系統的若干組成部分。轟炸開始時，每周出動2至4次，每次出動100多架，每周投彈20噸左右，不久便增加到每周出動1000餘架次，投彈達1600噸；後來，增加到每月出動1.01萬架次，到1966年1月，每月出動已達1.32萬架次。
作戰中，美軍根據不同任務和攻擊目標的不同性質，使用不同類型的最先進武器：
——飛機方面，包括不同型號的最先進的偵察機、戰鬥轟炸機、艦載機、電子干擾機、空中指揮機、加油機、救護直升機等。
——炸彈方面，除使用從250磅到3000磅的各種型號的普通爆破彈、凝固汽油彈、殺傷人員的小型航彈外，還包括高技術的氣浪彈、磁性感應定時彈、雷射制導炸彈、帶傘穿甲彈等
——火箭和飛彈方面，有攻擊高炮陣地和車輛的「巨鼠」火箭和「祖尼人」飛彈，攻擊強防空火力防衛目標的「小鬥犬」飛彈，攻擊炮瞄雷達和目標指示雷達的「百舌鳥」反雷達飛彈，攻擊探照燈的「響尾蛇」飛彈等。
四是注重偵察，廣泛使用電子襲擾
在遂行轟炸任務時，美軍通常採用V-2和無人駕駛飛機、RF-101、RF-4C和RF-8等不同性能的偵察機，進行預先偵察、攻擊前偵察、轟炸進行中的校正偵察和轟炸後的效果偵察等。在實施轟炸的同時，通常以EB-6或EA-3B等電子干擾機，以雜波、脈衝、回答式等干擾方式，對各種雷達進行積極干擾；有時還輔以施放金屬絲、錫箔片進行消極干擾。此外，戰鬥轟炸機也裝備各式干擾機，直接干擾炮瞄雷達。
五是多種戰術配合，共擊敵人軟肋
美軍採取多種戰術手段，主要戰術手段有：攻擊前夜的疲憊擾亂；低空隱蔽進入，突然攻擊；多批次同時臨空多方向連續攻擊；短間隔接連俯衝；主佯攻相配合；採取俯衝、水平、下滑、上仰甩彈等四種投彈方法；夜間照明彈條件下實施攻擊。
美軍在實施「滾雷行動」的同時, 還組織了戰略空軍B-52的「弧光」行動,轟炸北越南部的面狀目標和「胡志明小道」轉運站; 以海軍第7艦隊第7 特混艦隊的「 海龍」 行動, 炮擊北越沿海防空設施和船隻; 以海軍對北越的一些港口、航道布雷, 給「滾雷」 行動以戰略配合；向北越廣撒傳單, 開展心理戰……
當「滾雷行動」開始之初，北越的防空系統非常薄弱，很難對美軍飛機構成威脅。但是在美國的轟炸間歇期間，北越在友好國家的援助下建立了強大的防空網。這個防空系統包括防空火炮、薩姆-2防空飛彈和米格戰鬥機以及各種雷達。
北越空軍
1965年4月4日，美軍48架裝備有先進的領航系統、雷達顯示搜索系統、射速每分鐘6000發的多管航炮和紅外製導空對空飛彈及電子計算機火控系統，同時攜帶5000多公斤炸藥和空地飛彈的F-105「雷公」全天候轟炸機，在執行「滾雷行動」空中作戰計劃中，第一次遭到越南空軍米格-17戰機的攻擊，兩架F-105被擊毀。
米格-17早在韓戰晚期就已經出現，但是作為一種截擊機，它的性能卻能夠在越南最大限度發揮，特別是在低空。它能夠充分發揮其大威力機炮的優勢。在北越空軍的16位王牌中，有三名是飛米格-17的。
此後美空軍採用綽號「大眼睛」的預警飛機，加強了對米格戰機的防備，並運用裝備有8枚「麻雀」和「響尾蛇」空空飛彈的F-4C大型戰鬥機，擊落了兩架米格-17，但是兩周以後，就有4架F-4C被越軍新採用的蘇制薩姆「SA-2」地對空飛彈炸成了碎片。
薩姆「SA-2」飛彈的設計初衷是戰略防空，用來攔截高空高速飛行器。飛彈本身接受無線電指令制導並由一台液體燃料火箭發動機驅動；此外還分別需要一台X波段RSNA-75「扇歌」制導雷達和一台VHF波段P-12兩座標探測雷達提供目標精確位置和粗略位置信息。
薩姆「SA-2」飛彈從60年代中期就被廣泛部署在北越地區——常年保持有50個地空飛彈營部署在150處精心修建的陣地上。因為越戰曠日持久，所以其發射飛彈數量可謂是天文數字。隨著美軍電子對抗技戰術水平的不斷提高，擊落一架美機所需飛彈數量也在不斷提升，從最開始的只需幾枚飛彈發展到後期需要發射數十枚飛彈才能擊落一架美機。
不過，在蘇聯和其他華約國家專家們的指導下，越軍運用「以地制空」理論部署防禦，把「薩姆」飛彈的性能發揮到了極致，甚至經常利用其有限的機動性變換髮射位置，誘騙對方為躲避飛彈攻擊拚命低飛，結果陷入「高炮陷阱」。
在「滾雷行動」期間，越軍地空飛彈部隊總共發射了約5000枚「薩姆」飛彈，共擊落101架美軍飛機。對這些飛彈，美國飛行員通常進行俯衝降低高度，但是這又使他們陷入越軍的低空火力網。而美軍飛行員受限於交戰法則，不得主動攻擊飛彈陣地，除作飛彈確實向他們射擊。在一次空襲中，美國海軍飛行員在海防發現了裝在火車上的11枚薩姆飛彈，但是他們卻被禁止進行轟炸。這名海軍飛行員無奈地說:「到時候我們只能一枚一枚的和這些飛彈搏鬥了。」
在美軍對越南北方空襲行動中，很大一部分比例是專為了壓制和摧毀「薩姆」飛彈陣地而來的。美國空軍有兩個比較有效的方法——電子干擾和「野鼬鼠」戰機來對付薩姆飛彈。EB-66電子對抗機通常伴隨空軍的攻擊機群進行干擾。但到最後每架戰鬥機在執行任務時都裝備了自衛干擾吊艙，以干擾越方的制導雷達。另一種更為直接的解決辦法就是「野鼬鼠"。這些飛機裝備了特殊裝備，可以發現並摧毀制導薩姆飛彈的「扇歌」雷達。1966年7月3日，4架經過改裝、專門用來對付「薩姆」飛彈的「野鼬鼠」——美國F-100F「超級佩刀」戰機飛臨河內西部的飛彈基地上空，運用「百舌鳥」反雷達飛彈和特種規避技術，摧毀了「薩姆」基地。
米格-21是北越最好的戰鬥機，其纏鬥性能不亞於美軍F-4戰機，它裝備了火炮和「環礁」空空飛彈。不過，美國人很快找到了它的軟肋，通過電子干擾吊艙欺騙越南空軍。1967年1月2日。當時從泰國烏汶機場起飛的美國第8戰術戰鬥機聯隊的飛行員在羅賓中校的率領下，完成了著名的「米格掃把」行動，在北越紅河峽谷上空擊落了7架米格-21戰鬥機。「擊落米格飛機不是我們的目的！」美第7航空隊副參謀長奧爾頓·D·斯勒少將曾說，「目標是保護攻擊編隊。任何『格殺手』的獲得都被認為是一種獎勵。但更重要的是，無論擊落了多少架米格機，只要有攻擊機被擊落就會被認為是任務的失敗……」
美軍太平洋總部司令奧雷·夏普上將在給白宮的報告中這樣總結，「滾雷行動」破壞或摧毀北越的車船等數字是:1965年，鐵路車輛650輛，卡車800輛，各種船約1500艘；1966年，鐵路調車場2000多處，卡車4100餘輛，船隻約9500艘；1967年，鐵路車輛2500餘輛，汽車5260餘輛，船隻1.15萬艘；北越電力系統的85%無法運行……這些對北越的經濟、生產和分配系統，人民生活帶來了空前的壓力和緊張！
此後雙方對抗不斷升級，直至1972年12月下旬，美軍出動各種飛機3400多架次，對越南進行大規模轟炸襲擊，而越南則發射了近千枚薩姆飛彈擊落美B-52戰略轟炸機及其它飛機12架。
雖然美國幾乎使用了當時手中所有的作戰飛機，但最危險的轟炸行動則由F-105「雷公」和F-4「鬼怪」戰機來擔當。F-105完成了對北越人約75%的攻擊飛行，因而在各類飛機的損失中也是最多的。當「滾雷行動」臨近結束時，美國空軍超過半數的F-105攻擊機都被派往越南戰場。而F-4「鬼怪」戰機則可有效對付北越米格飛機。它既可以執行對地攻擊任務，又可為F-105提供掩護。當戰爭僵持時，F-4成為美國空軍戰鬥轟炸機的中堅。根據記錄，F-4總共擁有美國空軍擊落137架米格機記錄中的107架。
不過，飛行員需要在北越上空完成100次飛行戰鬥才能回國。這可不是一個容易達到的目標。「當你執行第66次任務時，你或許已經被擊落兩次」一位F-105飛行員這樣說。1967年5月份的國防部的官方報道稱:「對嚴密設防的敵方目標進行攻擊，我們每進行40次空襲，就會損失一位飛行員。」
然而，戰爭不僅沒有向著美軍所認為的「遠大前景」發展，消耗卻遠遠超過他們「所願意保持的限度」，甚至到了他們「難以承受的地步」。在對北越的轟炸中，美軍被擊落的飛機達3400多架，被擊斃和被俘虜的飛行員數千人，在南越，美軍損失的各種飛機數千架，死亡包括7個將官在內的官兵4.6萬多人。在整個越南戰爭期間，共損失飛機8700架，自1961年到1970年，共耗資1200億美元。如此巨大的消耗，不僅使他們達到難以承受的地步，同時也引起美國國內輿論的強烈反對，迫使戰爭的決策者不得不懸崖勒馬。
「滾雷行動」持續了3年零8個多月的時間，是美國歷史上持續時間最長的空中戰役。美國空軍和其他航空兵部隊的戰鬥機進行了30400架次戰鬥飛行，而B-52轟炸機則飛行了2380架次。在這次戰役中美軍投下的炸彈數量要超過二戰的歐洲戰場總數。但是，這次戰役並沒有「說服」北越部隊停止抵抗，也沒有切斷北方對南方抵抗力量的支援。這從這一意義上說，「滾雷行動」戰略失敗了，並未能達到美國的政治目的，相反加速了西貢政權的死亡和越南統一的進程。
不過，徒勞無功的「滾雷行動」引發了美軍空戰理念徹底革命，美國軍方吸取「滾雷行動」的教訓，對訓練和裝備都作了重大改變，並重新考慮它的空戰戰術及戰機設計，研製新一代適於近距離混戰的飛機，影響1990年代和2000年代的美國利用空中武力的效果，也大幅改變美國的空中戰術——在後來的幾場戰爭中，包括空襲利比亞、海灣戰爭、伊拉克戰爭，美軍的空中表現和對地攻擊讓人耳目一新，完全壓制住了對手，再一次拉開了與其他國家空軍的巨大差距。