Báo tháng 8 - Đầu năm 1948, Bộ Tổng chỉ huy chủ trương mở chiến dịch Đường số 3 nhằm mục đích" "Bức địch rút khỏi Bắc Kạn và đường số 3".

Phương châm tác chiến được xác định là "Tập trung lực lượng tiêu diệt các cứ điểm, trong đó mục tiêu quan trọng nhất là đánh Phủ Thông, kết hợp phục kích trên đường giao thông, đánh quân tăng viện và tiếp tế của địch từ Bắc Kạn lên". Lực lượng tham gia chiến dịch có 2 tiểu đoàn và 2 đại đội độc lập thuộc Bộ đội địa phương Bắc Kạn và Cao Bằng cùng với 2 tiểu đoàn chủ lực của Bộ. Chiến dịch này do Bộ Tổng chỉ huy chỉ đạo, Bộ chỉ huy Liên khu 1 trực tiếp chỉ huy. Trong 5 tiểu đoàn tham gia chiến dịch chỉ có 2 tiểu đoàn được bổ sung quân số, vũ khí tương đối đầy đủ; còn lại là vừa mới từ nơi khác cơ động đến, chưa được bổ sung, củng cố cả về tổ chức biên chế lẫn vũ khí trang bị. Địa hình chiến dịch diễn ra ở vùng núi cao hiểm trở, khó khăn cho công tác bảo đảm hậu cần và công tác nắm địch.

Chiến dịch diễn ra 3 đợt: Đợt 1 (từ 25-7 đến 27-7); Đợt 2 (28-7 đến 6-8) và Đợt 3 (từ 7 đến 12-8). Do công tác chuẩn bị chưa hoàn tất nên chiến dịch diễn ra chậm 10 ngày so với kế hoạch ban đầu. Mờ sáng 25-7-1948, Tiểu đoàn 11 (chủ lực của Bộ) nổ súng tiến công đồn Phủ Thông, mở màn chiến dịch. Đồn Phủ Thông sau 2 lần bị ta tập kích trước đó, kẻ địch đã xây dựng thành một cứ điểm kiên cố, vững chắc với nhiều lớp rào và một bức tường đất cao quá đầu người chạy bao quanh; bên trong có hệ thống hầm ngầm kiên cố và nhiều ổ hỏa lực lợi hại. Lực lượng tiến công đồn Phủ Thông được chia làm 2 mũi nhanh chóng đánh chiếm "đầu cầu". Tuy nhiên khi tiến vào tung thâm, bị hỏa lực của địch kiềm chế và binh lính từ các công sự ngầm phản kích quyết liệt, nên quân ta phải chững lại.

Một trận kịch chiến giáp lá cà đã diễn ra ngay trong khu trung tâm. Lần đầu tiên bội đội ta dùng cách đánh cường tập nên bộc lộ rõ sự lúng túng, hành động theo bản năng từ lòng căm thù giặc cao độ, mạnh ai nấy tiến; trong khi chỉ huy không nắm được quân, hiệp đồng thiếu chặt chẽ... Vì thế, mặc dù bộ đội chiến đấu rất quả cảm, đánh chiếm được 2/3 đồn, nhưng không thể nào dứt điểm được phần còn lại. Sau 4 giờ chiến đấu, nhận thấy khả năng khó dứt điểm được toàn bộ mục tiêu như kế hoạch đề ra, trong khi số thương vong cao, chỉ huy Tiểu đoàn 11 đành phải lệnh lui quân.

Mặc dù trận mở màn chiến dịch thành công không trọn vẹn, không đánh chiếm được đồn, số thương vong cao (hy sinh: 43, bị thương: 50), nhưng nó cho bộ đội ta nhiều kinh nghiệm và niềm tin mới vào một chiến thắng nếu như công tác chuẩn bị được đầy đủ, chu đáo hơn. Đặc biệt là với một trận đánh mở màn chiến dịch mang tính "thí điểm" cách đánh mới thì nên chọn một mục tiêu vừa sức và phù hợp hơn với trình độ tác chiến của bộ đội tại thời điểm đó.

Điều oái oăm là sau đêm 25-7 định mệnh đó, do mất liên lạc, BCH quân Pháp tưởng đồn Phủ Thông đã mất nên đã cho quân từ Cao Bằng xuống tiếp viện. Đêm 27-7, đoàn xe 30 chiếc chở đầy binh lính chạy xuống đến Bằng Khẩu. Thời cơ đánh viện xuất hiện, BCH Chiến dịch lệnh cho Tiểu đoàn 11 tiếp tục tổ chức chặn đánh tiêu diệt toán quân này. Tuy nhiên do mệnh lệnh thiếu dứt khoát nên Ban Chỉ huy Tiểu đoàn 11 chỉ bố trí một bộ phận nhỏ hoạt động mang tính quấy rối, nên đã bỏ lỡ "thời cơ vàng" tiêu diệt quân viện.

Đợt 2 của chiến dịch, một bộ phận nhỏ lực lượng tập trung chủ yếu vào hoạt động quấy rối, phá hoại giao thông, triệt phá các tuyến đường tế của quân địch cho Bắc Kạn và đặc biệt là Phủ Thông. Phần lớn lực lượng rút về Chợ Rã chuẩn bị cho đợt tiến công mới.

Bước vào Đợt 3, BCH Chiến dịch giao nhiệm vụ cho Trung đoàn 72 phục kích đánh địch, phá hoại đoạn đường Bắc Kạn - Phủ Thông. Tiểu đoàn 45 và Tiểu đoàn 11 phục kích trên đoạn Nà Phặc - Phủ Thông và bố trí lực lượng quấy rối đồn Phủ Thông. Trung đoàn 74 tập kích tiêu diệt đồn Bằng Khẩu. Tiểu đoàn 54 sẵn sàng bao vây đồn Phủ Thông và phục kích địch trên đoạn Phủ Thông - Bắc Kạn.

Mặc dù có được thời gian chuẩn bị và đúc rút kinh nghiệm từ trận Phủ Thông, nhưng sau 2 ngày đêm chiến đấu, Trung đoàn 74 cũng chỉ tiêu hao được một số ít quân địch ở Bằng Khẩu, mà không thể đánh chiếm được đồn. Các đơn vị khác cũng chỉ tiêu hao được một số binh lính đi tuần tiễu và phá hoại được một số đoạn giao thông, mà không cắt đứt được các tuyến giao thông huyết mạch. Công tác bảo đảm hậu cần lâm vào khó khăn, thiếu thốn; trong khi quân số ốm đau của các đơn vị tăng cao ảnh hưởng nhiều đến sức chiến đấu. Ngày 12-8-1948, chiến dịch kết thúc mà không đạt được mục tiêu đề ra.

Chiến dịch Đường số 3 là một trong những chiến dịch tiến công đầu tiên của Quân đội ta nên đã bộc lộ rõ sự ấu trĩ trong nghệ thuật chỉ đạo và chỉ huy chiến dịch. Mục đích đề ra cho chiến dịch: Bức địch rút khỏi Bắc Kạn và đường số 3 là quá cao so với nhiệm vụ chiến lược của giai đoạn "tích cực cầm cự" và so với tương quan lực lượng hai bên trên chiến trường lúc bấy giờ.

Việc BCH Chiến dịch đề ra phương châm "đánh điểm, diệt viện" là đúng và hợp lý, nhưng bộ đội vận dụng chuệch choạc (cả trong tư tưởng cũng như trong thực hành chiến đấu)... dẫn đến không diệt được viện đồng nghĩa với không tiêu diệt được nhiều sinh lực địch.

Hướng tiến công của chiến dịch được xác định bám trục đường số 3 là đúng. Tuy nhiên, trên cung đường đó, xác định đâu là trọng điểm thì lại không rõ, dẫn đến phân tán lực lượng, thiếu trọng tâm, trọng điểm, không tập trung và phát huy được ưu thế của hỏa lực vốn đang mỏng và yếu.

Việc không tổ chức cấp ủy, cơ quan chính trị chiến dịch cũng là một khiếm khuyết nổi bật của chiến dịch này. Điều này dẫn đến thiếu sự lãnh đạo trực tiếp, tuyệt đối của Đảng, không phát huy được vai trò của Công tác đảng, công tác chính trị trong chiến dịch, hạn chế sức mạnh của nhân tố chính trị tinh thần.

Với một chiến dịch diễn ra ở địa bàn rùng núi hiểm trở, công tác bảo đảm hậu cần cực kỳ khó khăn, nhưng BCH chiến dịch đã không kết nối được mối quan hệ chặt chẽ với chính quyền và nhân dân các địa phương để tổ chức thế trận hậu cần nhân dân cho chiến dịch.

Trong công tác chỉ huy chiến dịch, do bố trí, sử dụng lực lượng thiếu hợp lý nên trong cả chiến dịch, mặc dù tổ chức nhiều trận tiến công, tập kích, phục kích nhưng đã không thể dứt điểm được bất cứ một mục tiêu nào. Đã vậy, giữa các đợt cũng không có kiểm điểm, phân tích, mổ xẻ khiếm khuyết một cách bài bản, nghiêm túc, để có thể kịp thời chấn chỉnh, điều chỉnh lực lượng, rút kinh nghiệm cho các đợt sau.

Chiến dịch Đường số 3 mặc dù là một chiến dịch không thành công, bộc lộ khá nhiều hạn chế, khiếm khuyết, nhưng dẫu sao nó cũng giúp cho bộ đội ta có được nhiều nhiều bài học và kinh nghiệm quý; nhất là kinh nghiệm đánh cứ điểm.

Việt Anh