Ngày 17 tháng 2, thị trấn Đồng Đăng tràn ngập lính Trung Quốc, 2 quân đoàn (số 54 và 55) của chúng hoàn toàn áp đảo phía Việt Nam (ta chỉ có sư đoàn 3 và trung đoàn 12, cùng một số đơn vị dân quân).
Để so sánh tương quan, 1 quân đoàn cấu thành từ 2-5 sư đoàn và có đầy đủ xe tăng pháo lớn, nghĩa là lực lượng chúng ta kém hơn địch từ 4 -10 lần, chưa tính vũ khí hạng nặng. Tuy vậy quân đội và du kích Việt vẫn chiến đấu với tinh thần ngoan cường phi thường, khiến cho biển người của Trung Quốc phải chững lại tại đây suốt 6 ngày.
Đến ngày 23, các chốt chặn đã bị đánh bật ra xa, chỉ còn pháo đài Đồng Đăng là do quân ta kiểm soát. Hơn 700 người, cả dân lánh nạn và bộ đội, công an vũ trang giữ vững pháo đài được xây từ thời Pháp này và đánh lui mọi cuộc tấn công. Độ dốc của sườn núi khiến cho xe tăng leo lên rất ì ạch và thành bia bắn cho B40, B41 của ta. Quân Trung Quốc phải dùng pháo cối đủ loại yểm trợ để bộ binh có thể nhích từng tí một (tài liệu phương Tây cho biết trung đoàn số 489 liều mạng tiến lên bị quân ta hất văng về, mất một nửa lực lượng).
Khi địch chiếm được tầng trên cùng, ta rút xuống hệ thống hầm ngầm phức tạo sâu bên dưới pháo đài khiến cho quân Trung Quốc không dám tiến vào. Gọi hàng không được, chúng dùng bộc phá đánh sập cửa chính, thả lựu đạn, chất độc hóa học và phun lửa xuống để giết hết những người trú ẩn bên trong. Hầu hết dân quân Việt ở pháo đài hi sinh, chỉ có 6 người thoát ra được (cựu binh Nguyễn Duy Thực kể lại rằng do sức nổ bộc phá làm lộ ra một đường thoát hiểm bí mật, trước bị người Nhật bít lại hồi chiếm đóng nên không ai phát hiện ra).
Đây là trận chiến bi hùng của quân và dân Việt, và thường được so sánh với trận phòng thủ pháo đài Brest của Hồng quân trước phát xít Đức trong thế chiến 2.
