Để chuẩn bị cho trận tập kích, nhiều công việc phải tiến hành khẩn trương, bí mật và cụ thể. Cán bộ, nhân dân làng Thạch Cầu ở gần sân bay được Chi ủy Gia Lâm giao cho trực tiếp phục vụ trận tập kích sân bay Gia Lâm của bộ đội Hà Nội. Những việc phải làm ngay là bảo vệ an toàn cho bộ đội, theo dõi chặt chẽ mọi hoạt động của địch, giữ bí mật tuyệt đối. Du kích Thạch Cầu đã phối hợp bộ đội tiền trạm của Hà Nội đào thêm hầm bí mật để giấu quân, giấu vũ khí. Mọi việc đều diễn ra đúng kế hoạch và đến cuối tháng 2/1954 công tác chuẩn bị mới xong. Đêm 2/3/1954, bộ đội của Hà Nội từ Khoái Châu (Hưng Yên) về vị trí tập kết ở Thạch Cầu.

Tối 3/3, từ vị trí tập kết, các tổ chiến đấu lần lượt vượt chướng ngại vật, từng bước tiếp cận mục tiêu. Các chiến sĩ, mỗi người một gói hành trang trong một tấm ni-lông, lấy bèo Nhật Bản ngụy trang, rồi từ từ bơi đẩy qua hồ. 20 giờ, các tổ đã đến hàng rào thứ nhất. 22 giờ cắt rào xong, các tổ đánh máy bay tiến vào, tổ 1 vào khu để máy bay ở nhà ga, tổ 2 đánh khu giữa, tổ 3 đánh khu cuối (ở phía đông).

1 giờ 55 phút rạng sáng 4/3/1954, cuộc tấn công bắt đầu. Ta nổ súng giết tên lính gác. Các tổ đồng thời dùng thủ pháo, bộc phá, lựu đạn đánh máy bay, đánh kho xăng và các trại lính giặc. Hàng loạt máy bay địch nổ tung rung chuyển, kho xăng bốc cháy làm sáng cả một góc trời. Sau phút hoang mang, địch kéo còi báo động, đèn pha bật sáng. Các đơn vị địch bảo vệ sân bay triển khai đội hình chiến đấu. Trại lính da đen nổ súng dồn dập trên đường rút lui của ta.

18 máy bay các loại của địch bị phá hủy, gồm: 5 chiếc máy bay ném bom B26, 10 chiếc máy bay vận tải quân sự Dakota và 3 chiếc chở khách. Ngoài ra còn có 1 kho xăng bị đốt, 16 tên địch bị diệt, ta bị thương nhẹ 2 người. Trận đánh gây thiệt hại nặng nề cho địch. Hoạt động của sân bay bị đình trệ nhiều ngày sau đó.

Trận đánh chỉ diễn ra từ 3 đến 5 phút. Sau đó, các chiến sĩ đánh máy bay rút theo đường cũ về thôn Thạch Cầu. Do giữ bí mật đến tận lúc nổ súng, cho nên địch không kịp huy động lực lượng phản ứng. Lúc ta rút về phía thôn Thạch Cầu, địch mới huy động được xe tăng ra sân bay cứu viện.

Trận tập kích quả cảm đó đã mang lại thắng lợi ngoài mong đợi, 18 máy bay các loại của địch bị phá hủy, gồm: 5 chiếc máy bay ném bom B26, 10 chiếc máy bay vận tải quân sự Dakota và 3 chiếc chở khách. Ngoài ra còn có 1 kho xăng bị đốt, 16 tên địch bị diệt, ta bị thương nhẹ 2 người. Trận đánh gây thiệt hại nặng nề cho địch. Hoạt động của sân bay bị đình trệ nhiều ngày sau đó.

Cùng với trận đánh sân bay Cát Bi (đêm 7/3/1954), trận đánh sân bay Gia Lâm đã gây nhiều khó khăn lớn cho địch trong việc tiếp tế ứng cứu cho tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ bằng đường hàng không. Sân bay Gia Lâm sau này được gắn biển Di tích Cách mạng-kháng chiến vào dịp kỷ niệm 50 năm Giải phóng Điện Biên Phủ (7/5/1954-7/5/2004).

Tháng 4/1954, khi chiến dịch Điện Biên Phủ bước sang giai đoạn 2, đây cũng là đợt tiến công dai dẳng nhất, dài ngày nhất, ác liệt nhất, khi quân ta tiến công các cao điểm phía đông ở Phân khu Trung tâm, thắt chặt vòng vây, chia cắt, kiểm soát sân bay Mường Thanh, hạn chế tiếp viện của địch cho tập đoàn cứ điểm.

Dù ở cách chiến trường Điện Biên hàng trăm kilômét, quân và dân Thủ đô tiếp tục giáng cho quân Pháp những đòn nặng nề, khiến chúng gặp nhiều khó khăn trong công tác hậu cần. Trong đó, đáng kể nhất là chiều 4/4, quân và dân huyện Gia Lâm đánh thắng một trận vang dội trên đường 5, lật nhào một đoàn tàu 13 toa chở quân lương, quân trang và vũ khí của địch từ Hải Phòng về Hà Nội. Tiếp đó, cuối tháng 4/1954, công nhân Sở binh lương Hà Nội đốt kho làm cháy hàng nghìn chiếc dù. Ngoài ra, cơ sở của ta trong lòng địch còn chỉ đạo các lái xe phá hủy hàng trăm xe rồi trốn ra khu vực tự do.

Mặt trận Hà Nội còn đẩy mạnh công tác địch vận, tuyên truyền tin chiến thắng của ta, tán phát hàng vạn giấy thông hành, truyền đơn kêu gọi binh lính địch đào ngũ trở về nhà. Nhiều tên tự gây ra thương tích để được ở lại Hà Nội hoặc trốn về với gia đình, nhiều đơn vị địch vừa đi càn ở đồng bằng về thì thoái thác tập thể, lấy cớ không chiến đấu… Tiêu biểu như sự kiện sĩ quan, binh lính Tiểu đoàn dù số 5 đóng ở trường Bưởi, Tiểu đoàn dù số 7 đóng ở Việt Nam học xá không muốn tham chiến ở Điện Biên Phủ, 1.200 lính đóng ở khu vực sân bay Bạch Mai đào ngũ. Điều này có tác dụng kìm hãm lực lượng địch ở hậu phương, gây nhiều khó khăn cho địch trong việc ứng cứu, chi viện cho mặt trận Điện Biên Phủ.

Ngoài ra, công tác điều tra nắm tình hình địch được Ban Chỉ huy Mặt trận Hà Nội rất coi trọng; ta đã tìm cách tạo dựng cơ sở trong các cơ quan quân sự, doanh trại, công xưởng của địch; ngay trong các cơ quan đầu não cơ mật của địch. Do đó nhiều tin tức quan trọng, nhất là những tin về điều động quân số, vũ khí đạn dược, lương thực cho Điện Biên Phủ, quân báo mặt trận đều nắm được và báo cáo lên cấp trên kịp thời, giúp mặt trận chính làm chủ tình hình.

Công tác đấu tranh chính trị công khai cũng được khẩn trương thực hiện. Thành ủy đã giao nhiệm vụ cho Ban cán sự trí thức vận động nhóm trí thức trung kiên làm và ký kiến nghị đòi lập lại hòa bình. Ngày 12/4/1954, một số trí thức tiêu biểu gồm: Bác sĩ Trần Văn Lai, luật sư Bùi Tường Chiểu, luật sư Vũ Văn Hiền, bác sĩ Phạm Khắc Quảng đã ký vào bản kiến nghị yêu cầu các bên tham chiến ở Đông Dương đáp ứng nguyện vọng bức thiết của nhân dân, cùng nhau thương lượng, chấm dứt chiến tranh lập lại hòa bình. Bản kiến nghị được ông Nguyễn Mạnh Hà ở Paris gửi đăng trên báo chí nước Pháp có ảnh hưởng tích cực đối với dư luận trong nước và quốc tế.

Chiến thắng Điện Biên Phủ lừng lẫy năm châu, chấn động địa cầu là niềm tự hào của nhân dân Việt Nam. Đóng góp vào chiến thắng đó không chỉ có những chiến sĩ, những dân công tham gia trực tiếp trong chiến dịch Điện Biên, mà còn có công lao, sự hy sinh của quân và dân của các địa phương khác trong cả nước, nhất là trong việc phá hoại hậu cần, vận tải của địch, cản trở việc huy động binh lính, trong đấu tranh chính trị… Trong đó, quân và dân Thủ đô có những đóng góp quan trọng hàng đầu.