从1964年8月到1972年底，越南上空成了现代化作战手段进行较量的“试验场”，美国空军第七航空队和美国海军第七舰队舰载航空兵部队联合实施代号为“滚雷”行动的大规模空袭战争，共投入战术作战飞机30.4万架次，战略轰炸机2380架次，轰炸10.77万次，投掷各种型号的炸弹258万吨，越南北方平均每平方公里落弹16.2吨，轰炸密度远远超出了历史上任何一次战争。
为了使“滚雷行动”发挥最大的战略效果，美军投入了当时能够动用的最大力量和除核武器以外的最先进武器，堪称现代版的高技术空袭战：
一是持续时间长，轰炸范围广
轰炸从1965年3月2日开始，历时整整3年零8个多月，轰炸范围遍及于北越广大地区，从最初的军事系统和港口，后迅速扩大到水陆交通系统、工业区、发电系统、储油设施及居民区和产粮区。
二是指挥严密，计划灵活
整个指挥分批准、执行、协调三个层次：总统掌握最高决定权；国防部长根据总统意图命令实施轰炸暂停轰炸和恢复轰炸；参谋长联席会议负责批准计划；太平洋总部司令负贵制定计划和报告效果，并通过太平洋舰队司令、太平洋空军司令和美国驻南越“军事援助”司令部司令，实施经批准的计划。协调权委托给驻南越空军第2师师长。作战程序由第7航空队和第7舰队共同制定。
太平洋总部司令将轰炸目标划分为六个基本目标系统。制定计划时，按目标系统一次上报所要轰炸的目标，上级作整体批准，执行时“可以根据情报和气候等因素确定”。轰炸任务由第7航空队和海军第7舰队舰载机担负，西贡空军也执行一定任务。按地理位置将北越划为7个区域，各部轰炸机分别由泰国基地、南越基地和航母起飞，以最近距离，分区遂行任务。
三是战役式轰炸，最先进武器开路
轰炸通常以一次计划为一个行动编号，一个编号包括若干次袭击，一次袭击只攻击一个目标系统的若干组成部分。轰炸开始时，每周出动2至4次，每次出动100多架，每周投弹20吨左右，不久便增加到每周出动1000余架次，投弹达1600吨；后来，增加到每月出动1.01万架次，到1966年1月，每月出动已达1.32万架次。
作战中，美军根据不同任务和攻击目标的不同性质，使用不同类型的最先进武器：
——飞机方面，包括不同型号的最先进的侦察机、战斗轰炸机、舰载机、电子干扰机、空中指挥机、加油机、救护直升机等。
——炸弹方面，除使用从250磅到3000磅的各种型号的普通爆破弹、凝固汽油弹、*伤人员的小型航弹外，还包括高技术的气浪弹、磁性感应定时弹、激光制导炸弹、带伞穿甲弹等
——火箭和导弹方面，有攻击高炮阵地和车辆的“巨鼠”火箭和“祖尼人”导弹，攻击强防空火力防卫目标的“小斗犬”导弹，攻击炮瞄雷达和目标指示雷达的“百舌鸟”反雷达导弹，攻击探照灯的“响尾蛇”导弹等。
四是注重侦察，广泛使用电子袭扰
在遂行轰炸任务时，美军通常采用V-2和无人驾驶飞机、RF-101、RF-4C和RF-8等不同性能的侦察机，进行预先侦察、攻击前侦察、轰炸进行中的校正侦察和轰炸后的效果侦察等。在实施轰炸的同时，通常以EB-6或EA-3B等电子干扰机，以杂波、脉冲、回答式等干扰方式，对各种雷达进行积极干扰；有时还辅以施放金属丝、锡箔片进行消极干扰。此外，战斗轰炸机也装备各式干扰机，直接干扰炮瞄雷达。
五是多种战术配合，共击敌人软肋
美军采取多种战术手段，主要战术手段有：攻击前夜的疲惫扰乱；低空隐蔽进入，突然攻击；多批次同时临空多方向连续攻击；短间隔接连俯冲；主佯攻相配合；采取俯冲、水平、下滑、上仰甩弹等四种投弹方法；夜间照明弹条件下实施攻击。
美军在实施“滚雷行动”的同时, 还组织了战略空军B-52的“弧光”行动,轰炸北越南部的面状目标和“胡志明小道”转运站; 以海军第7舰队第7 特混舰队的“ 海龙” 行动, 炮击北越沿海防空设施和船只; 以海军对北越的一些港口、航道布雷, 给“滚雷” 行动以战略配合；向北越广撒传单, 开展心理战……
空地厮*，美越大斗法当“滚雷行动”开始之初，北越的防空系统非常薄弱，很难对美军飞机构成威胁。但是在美国的轰炸间歇期间，北越在友好国家的援助下建立了强大的防空网。这个防空系统包括防空火炮、萨姆-2防空导弹和米格战斗机以及各种雷达。
北越空军
1965年4月4日，美军48架装备有先进的领航系统、雷达显示搜索系统、射速每分钟6000发的多管航炮和红外制导空对空导弹及电子计算机火控系统，同时携带5000多公斤炸药和空地导弹的F-105“雷公”全天候轰炸机，在执行“滚雷行动”空中作战计划中，第一次遭到越南空军米格-17战机的攻击，两架F-105被击毁。
米格-17早在朝鲜战争晚期就已经出现，但是作为一种截击机，它的性能却能够在越南最大限度发挥，特别是在低空。它能够充分发挥其大威力机炮的优势。在北越空军的16位王牌中，有三名是飞米格-17的。
此后美空军采用绰号“大眼睛”的预警飞机，加强了对米格战机的防备，并运用装备有8枚“麻雀”和“响尾蛇”空空导弹的F-4C大型战斗机，击落了两架米格-17，但是两周以后，就有4架F-4C被越军新采用的苏制萨姆“SA-2”地对空导弹炸成了碎片。
萨姆“SA-2”导弹的设计初衷是战略防空，用来拦截高空高速飞行器。导弹本身接受无线电指令制导并由一台液体燃料火箭发动机驱动；此外还分别需要一台X波段RSNA-75“扇歌”制导雷达和一台VHF波段P-12两座标探测雷达提供目标精确位置和粗略位置信息。
萨姆“SA-2”导弹从60年代中期就被广泛部署在北越地区——常年保持有50个地空导弹营部署在150处精心修建的阵地上。因为越战旷日持久，所以其发射导弹数量可谓是天文数字。随着美军电子对抗技战术水平的不断提高，击落一架美机所需导弹数量也在不断提升，从最开始的只需几枚导弹发展到后期需要发射数十枚导弹才能击落一架美机。
不过，在苏联和其他华约国家专家们的指导下，越军运用“以地制空”理论部署防御，把“萨姆”导弹的性能发挥到了极致，甚至经常利用其有限的机动性变换发射位置，诱骗对方为躲避导弹攻击拼命低飞，结果陷入“高炮陷阱”。
在“滚雷行动”期间，越军地空导弹部队总共发射了约5000枚“萨姆”导弹，共击落101架美军飞机。对这些导弹，美国飞行员通常进行俯冲降低高度，但是这又使他们陷入越军的低空火力网。而美军飞行员受限于交战法则，不得主动攻击导弹阵地，除作导弹确实向他们射击。在一次空袭中，美国海军飞行员在海防发现了装在火车上的11枚萨姆导弹，但是他们却被禁止进行轰炸。这名海军飞行员无奈地说:“到时候我们只能一枚一枚的和这些导弹搏斗了。”
在美军对越南北方空袭行动中，很大一部分比例是专为了压制和摧毁“萨姆”导弹阵地而来的。美国空军有两个比较有效的方法——电子干扰和“野鼬鼠”战机来对付萨姆导弹。EB-66电子对抗机通常伴随空军的攻击机群进行干扰。但到最后每架战斗机在执行任务时都装备了自卫干扰吊舱，以干扰越方的制导雷达。另一种更为直接的解决办法就是“野鼬鼠"。这些飞机装备了特殊装备，可以发现并摧毁制导萨姆导弹的“扇歌”雷达。1966年7月3日，4架经过改装、专门用来对付“萨姆”导弹的“野鼬鼠”——美国F-100F“超级佩刀”战机飞临河内西部的导弹基地上空，运用“百舌鸟”反雷达导弹和特种规避技术，摧毁了“萨姆”基地。
米格-21是北越最好的战斗机，其缠斗性能不亚于美军F-4战机，它装备了火炮和“环礁”空空导弹。不过，美国人很快找到了它的软肋，通过电子干扰吊舱欺骗越南空军。1967年1月2日。当时从泰国乌汶机场起飞的美国第8战术战斗机联队的飞行员在罗宾中校的率领下，完成了著名的“米格扫把”行动，在北越红河峡谷上空击落了7架米格-21战斗机。“击落米格飞机不是我们的目的！”美第7航空队副参谋长奥尔顿·D·斯勒少将曾说，“目标是保护攻击编队。任何‘格*手’的获得都被认为是一种奖励。但更重要的是，无论击落了多少架米格机，只要有攻击机被击落就会被认为是任务的失败……”
美军太平洋总部司令奥雷·夏普上将在给白宫的报告中这样总结，“滚雷行动”破坏或摧毁北越的车船等数字是:1965年，铁路车辆650辆，卡车800辆，各种船约1500艘；1966年，铁路调车场2000多处，卡车4100余辆，船只约9500艘；1967年，铁路车辆2500余辆，汽车5260余辆，船只1.15万艘；北越电力系统的85%无法运行……这些对北越的经济、生产和分配系统，人民生活带来了空前的压力和紧张！
此后双方对抗不断升级，直至1972年12月下旬，美军出动各种飞机3400多架次，对越南进行大规模轰炸袭击，而越南则发射了近千枚萨姆导弹击落美B-52战略轰炸机及其它飞机12架。
虽然美国几乎使用了当时手中所有的作战飞机，但最危险的轰炸行动则由F-105“雷公”和F-4“鬼怪”战机来担当。F-105完成了对北越人约75%的攻击飞行，因而在各类飞机的损失中也是最多的。当“滚雷行动”临近结束时，美国空军超过半数的F-105攻击机都被派往越南战场。而F-4“鬼怪”战机则可有效对付北越米格飞机。它既可以执行对地攻击任务，又可为F-105提供掩护。当战争僵持时，F-4成为美国空军战斗轰炸机的中坚。根据记录，F-4总共拥有美国空军击落137架米格机记录中的107架。
不过，飞行员需要在北越上空完成100次飞行战斗才能回国。这可不是一个容易达到的目标。“当你执行第66次任务时，你或许已经被击落两次”一位F-105飞行员这样说。1967年5月份的国防部的官方报道称:“对严密设防的敌方目标进行攻击，我们每进行40次空袭，就会损失一位飞行员。”
然而，战争不仅没有向着美军所认为的“远大前景”发展，消耗却远远超过他们“所愿意保持的限度”，甚至到了他们“难以承受的地步”。在对北越的轰炸中，美军被击落的飞机达3400多架，被击毙和被俘虏的飞行员数千人，在南越，美军损失的各种飞机数千架，死亡包括7个将官在内的官兵4.6万多人。在整个越南战争期间，共损失飞机8700架，自1961年到1970年，共耗资1200亿美元。如此巨大的消耗，不仅使他们达到难以承受的地步，同时也引起美国国内舆论的强烈反对，迫使战争的决策者不得不悬崖勒马。
“滚雷行动”持续了3年零8个多月的时间，是美国历史上持续时间最长的空中战役。美国空军和其他航空兵部队的战斗机进行了30400架次战斗飞行，而B-52轰炸机则飞行了2380架次。在这次战役中美军投下的炸弹数量要超过二战的欧洲战场总数。但是，这次战役并没有“说服”北越部队停止抵抗，也没有切断北方对南方抵抗力量的支援。这从这一意义上说，“滚雷行动”战略失败了，并未能达到美国的政治目的，相反加速了西贡政权的死亡和越南统一的进程。
不过，徒劳无功的“滚雷行动”引发了美军空战理念彻底革命，美国军方吸取“滚雷行动”的教训，对训练和装备都作了重大改变，并重新考虑它的空战战术及战机设计，研制新一代适于近距离混战的飞机，影响1990年代和2000年代的美国利用空中武力的效果，也大幅改变美国的空中战术——在后来的几场战争中，包括空袭利比亚、海湾战争、伊拉克战争，美军的空中表现和对地攻击让人耳目一新，完全压制住了对手，再一次拉开了与其他国家空军的巨大差距。
