Tuy nhiên, chỉ sau hai đợt tấn công trong chiến dịch xuân hè năm 1972, quân giải phóng miền Nam Việt Nam đã chọc thủng hệ thống phòng ngự kiên cố nhất và giành được hoàn toàn tỉnh Quảng Trị vào ngày 1/5/1972.

Bị mất căn cứ chiến lược tại Quảng Trị và nguy cơ mất tiếp tỉnh Thừa Thiên, đổ vỡ kế hoạch Việt Nam hóa chiến tranh, Mỹ bổ sung khí tài để quân đội Việt Nam Cộng hòa phản công chiếm lại Quảng Trị, đặc biệt là khu thành cổ.

Nằm sát sông Thạch Hãn, thành cổ Quảng Trị được xây dựng từ thời vua Gia Long, có hình vuông, mỗi cạnh 500 m, bao quanh là hào nước rộng 18 m, sâu đến 3 m với mục đích phòng thủ. Thành được bao bọc bởi nhiều trận địa hỏa lực, trại lính, lắp tường hộp bằng sắt dày đến một mét và đắp nhiều bao cát, đất, hàng rào dây thép gai để trở thành lô cốt, ụ súng, chiến hào kiên cố.

"Ta giữ được thành cổ càng lâu, lợi thế phái đoàn ngoại giao của ta tại Hội nghị Paris càng lớn. Mỹ muốn sớm cắm được cờ ở thành cổ để ép ta ký hiệp ước với điều khoản có lợi cho họ, nhưng ta không để điều đó xảy ra", tướng Huy nói, nhấn mạnh đây chính là yếu tố khiến cuộc chiến bảo vệ thành cổ Quảng Trị khốc liệt và kéo dài gần 3 tháng.

Sáng 28/6/1972, chính quyền Việt Nam Cộng hòa với sự hậu thuẫn của Mỹ tổ chức các cuộc phản công mang mật danh "Lam Sơn 72" trên quy mô lớn để tái chiếm Quảng Trị, bắt đầu 81 ngày đêm bắn phá khu vực thành cổ.

Quân giải phóng bố trí Sư đoàn 308 phụ trách khu vực bắc sông Mỹ Chánh, chặn đà tiến công của đối phương hướng quốc lộ 1. Sư đoàn 304 và một tiểu đoàn đặc công tiến công tiêu diệt đối phương ở Nam sông Mỹ Chánh. Sư đoàn 320B cùng các tiểu đoàn địa phương ở hướng Đông có nhiệm vụ tiêu hao, ngăn chặn quân Việt Nam Cộng hòa từ Thanh Hương, Mỹ Chánh tiến theo đường 68 và từ biển đổ bộ vào, bảo vệ huyện Hải Lăng.

Trung đoàn 18 làm lực lượng dự bị chiến dịch, đứng chân ở Quảng Lương, Văn Trường, sẵn sàng đánh ở nam Cửa Việt. Một trung đoàn, một tiểu đoàn bộ đội địa phương và ba tiểu đoàn phòng không có nhiệm vụ bảo vệ thị xã Quảng Trị - La Vang - Ái Tử. Toàn bộ dân cư thị xã và các xã phía bắc được sơ tán ra khỏi vùng chiến sự, chỉ còn lại dân quân, du kích, bộ đội.

Theo tướng Nguyễn Đức Huy, quân giải phóng miền Nam Việt Nam không hề thua kém khi so sánh bộ binh, song về hỏa lực thì kém xa. Thậm chí, quân giải phóng còn bị cắt đường chi viện do hậu phương liên tục bị bắn phá. Trong khi đó quân lực Việt Nam Cộng hòa vượt trội do được hỗ trợ không quân, pháo hạm.

Chốt chặn quân Việt Nam Cộng hòa ở tuyến đầu của mặt trận thành cổ - ngã ba Long Hưng, đại tá Vũ Trung Thướng (nay đã 78 tuổi, khi đó là Chính trị viên Đại đội 5, Trung đoàn 48, Sư đoàn 320), kể khu vực này nằm trên trục quốc lộ 1, thuộc làng Long Hưng, xã Hải Phú, huyện Hải Lăng, là chốt chặn đầu tiên khi hai bên giáp mặt. Bên nào chiếm được Long Hưng sẽ làm chủ hướng tiến công vào thị xã Quảng Trị từ hướng nam và đông nam.

"Nhiệm vụ của chúng tôi là đánh địch từ xa, không cho địch qua Long Hưng để đồng đội bên trong thành cổ Quảng Trị có thời gian chuẩn bị cho các trận chiến", đại tá Thướng kể.

Trong 81 ngày đêm bảo vệ thành cổ, ông Thướng nói "không có ngày nào bình yên". Tiếng bom đạn nổ suốt ngày đêm, hết bom từ máy bay B52 rải thảm đến pháo từ Hạm đội 7 ở ngoài biển, bom tọa độ, pháo bầy 106,7 mm từ phía nam xả vào. Nhà cửa tan nát, cây cối bị phạt phăng, "đứng nhìn ra xa hàng chục km không có gì vướng tầm mắt".

Những người lính ở thành cổ nhặt nhạnh các mảnh gỗ, tôn từ nhà cửa đổ nát của người dân, rồi đào sâu xuống đất 2 m, gia cố tầng hầm 1,2 m, lấp đất lên rồi làm công sự ở bên trên, cao đến ngang ngực để phòng ngự. Khi có pháo, tất cả rút xuống hầm trú ẩn, ngớt bom đạn, các chiến sĩ lại ngoi lên chiến đấu.

Đến ngày 3/7/1972, quân Mỹ và Việt Nam Cộng hòa chiếm được một vùng rộng lớn của tỉnh Quảng Trị, hình thành thế bao vây thị xã Quảng Trị và chiếm được nhiều điểm cao quan trọng phía Tây. Mục tiêu đối phương đưa ra rất rõ ràng, phải cắm được cờ lên thành cổ vào ngày 10/7, tức là ba ngày trước Hội nghị Paris dự kiến diễn ra 13/7 để gây áp lực trên bàn đàm phán.

Mở màn cuộc tiến công, quân Mỹ và Việt Nam Cộng hòa bắn pháo tới tấp vào trận địa, dọn đường để bộ binh tiến vào, quần thảo suốt một ngày, từ 8h đến 17h. Đại đội 5 của cựu binh Thướng đẩy lùi được một tiểu đoàn đối phương. Các đơn vị của quân giải phóng trong thành cổ phối hợp các sư đoàn vòng ngoài, đẩy lùi nhiều đợt tiến công.

Càng gần ngày 13/7, quân lực Việt Nam Cộng hòa càng bắn phá dữ dội, thương vong cho cả hai bên mỗi lúc một nhiều. Theo thống kê của Viện Lịch sử Quân sự Việt Nam, sau hơn 10 ngày, phía Việt Nam Cộng hòa thiệt hại hơn 1.000 quân, mất 3 xe tăng, 2 máy bay. Phía quân giải phóng, mỗi đại đội bộ binh chỉ còn khoảng 40 tay súng, mất nhiều vũ khí, hỏa lực ước tính còn 50%. Hai trung đoàn phải lui về phía sau do thiệt hại nặng.

Đến ngày 25/7, sau gần một tháng nhưng vẫn không thể tiến sâu hơn vào thành cổ, quân lực Việt Nam Cộng hòa lập mưu để lừa dư luận. Đài phát thanh Sài Gòn thông tin quân dù mũ nồi đỏ đã chiếm được thành cổ Quảng Trị và chuẩn bị làm lễ kéo cờ. Sáng 26/7, Việt Nam Cộng hòa tổ chức lễ cắm cờ và mời cố vấn Mỹ, báo chí đến quay phim nhưng lại ở bức tường đổ của nhà thờ cách đó khoảng 3 km. Phát hiện sự việc, trinh sát của quân giải phóng đã gọi pháo binh bắn vào vị trí trên khiến chúng vội vã lên máy bay bỏ chạy.

Về phía quân giải phóng, thiếu phương tiện chiến đấu, thương vong lớn, chiến sĩ chịu thêm khó khăn khi mùa mưa bão đến. Từ 28/7, nước sông Thạch Hãn dâng cao, chảy xiết khiến hầm hào sụt lở. Bộ đội ngâm mình trong nước suốt ngày đêm, không thể ăn uống, nghỉ ngơi, vết thương ngấm nước càng nặng. Điều kiện chữa trị cũng thô sơ do không có bệnh viện hậu cứ trong thành cổ. Đường tiếp tế duy nhất là từ bộ đội bơi qua sông Thạch Hãn, nhưng mỗi ngày chỉ có một đại đội bơi qua sông mang theo nhu yếu phẩm, đạn dược với số lượng rất hạn chế.

Sang đầu tháng 8, Mỹ tiếp tục chiến lược rải bom bằng máy bay B52 dọc sông Thạch Hãn, trong thị xã và thành cổ. Mỹ sử dụng thêm loại bom có sức công phá lớn, đào sâu xuống lòng đất, phát nổ khi gặp khoảng không nhằm phá hoại triệt để hầm, công sự, nơi trú ẩn của quân giải phóng miền Nam Việt Nam.

Để thích ứng, khi máy bay ném bom thì quân giải phóng rút xuống hầm, qua đợt oanh tạc, lại ra giữ vị trí phòng thủ. Thiếu tướng Nguyễn Đức Huy nói khó có thể nhớ lại trận nào bị công kích dữ dội nhất, bởi cả 24 giờ trong 81 ngày đó, lúc nào "địch cũng đánh phá ác liệt". "Mất mát, thương vong của ta là rất lớn, đến nay còn chưa thống kê được hết. Trung bình, một ngày đêm ta hy sinh một đại đội, tức là khoảng 100 người. Nhưng lúc đó, ý chí chiến đấu của chiến sĩ rất cao, làm thất bại ý định nhanh chóng tái chiếm thành cổ Quảng Trị", ông Huy nói.

Ngày 15/9, các lữ đoàn lính thủy đánh bộ Việt Nam Cộng hòa tiến công vào thành cổ, cùng với hỏa lực pháo cối, xe tăng, súng phun lửa, đột phá từ góc Đông Nam, Đông Bắc và cổng thành phía Nam. Đến 15h cùng ngày, phương tiện, vũ khí của quân giải phóng bị tiêu hao lớn, sức phản kích giảm dần, các đơn vị phải lui sâu vào thành. Đến tối, đối phương đã chiếm được góc Đông Bắc và toàn bộ phía Nam trong thành cổ.

22h ngày 15/9, Ban chỉ huy quyết định rút dần đơn vị không còn khả năng chiến đấu, bộ phận không cần thiết và thương binh sang tả ngạn sông Thạch Hãn. 1h sáng 16/9, lực lượng còn lại ở phía Bắc được lệnh rút quân. Đến 2h hôm sau, đội hình cơ bản đã qua sông, thương binh cũng được chuyển đi hết, Việt Nam Cộng hòa không bắt được người nào của quân giải phóng trong thị xã.

Theo tướng Nguyễn Hồng Quân, sau 81 ngày đêm chiến đấu, quân giải phóng phải rút quân bảo toàn lực lượng để tiếp tục kháng chiến, nhưng những mục tiêu chủ yếu và quan trọng nhất đã đạt được, đó là giành thắng lợi trong việc ký kết Hiệp định Paris, làm thất bại hoàn toàn âm mưu của Mỹ và Việt Nam Cộng hòa - muốn nhanh chóng chiếm lại Quảng Trị.

Còn theo tướng Nguyễn Đức Huy, bài học lớn nhất rút ra sau trận chiến bảo vệ thành cổ Quảng Trị là sự hiệp đồng tác chiến, hỗ trợ lẫn nhau của lực lượng trong và ngoài thành, giúp đánh bật nhiều đợt tấn công. "Nếu chỉ có lực lượng trong thành cổ, ta khó đứng vững trước hỏa lực của địch. Nhờ sự phối hợp tác chiến của 6 sư đoàn chủ lực vòng ngoài, ta tiêu diệt, kéo địch ra ngoài. Ngoài ra, còn có rất nhiều lực lượng khác, như dân quân, du kích. Nhờ sức mạnh tổng hợp, ta mới giành được thắng lợi", tướng Huy nói.