รัฐบาลไทยตัดสินใจใช้กำลังทหารเพื่อป้องกันประเทศทันทีทั้งทางบกและทางอากาศ พลตรี หลวงพิบูลสงคราม ได้รับโปรดเกล้าฯ เป็นผู้บัญชาการทหารสูงสุด ต่อมาเมื่อวันที่ 8 ธันวาคม พ.ศ. 2483 ฝ่ายไทยได้ประกาศระดมพลและสั่งเคลื่อนกำลังทหารเข้าประจำชายแดนเพื่อเข้าตีโต้ตอบ และวันที่ 5 มกราคม พ.ศ. 2484 กองทัพไทยได้เคลื่อนกองทัพบุกเข้าไปในเขมรและลาว มุ่งยึดดินแดนคืน

การสู้รบทางบก กองพลพายัพ ยึดได้แคว้นหลวงพระบาง ฝั่งขวาห้วยทราย ตรงข้ามเชียงแสน มีเมืองปากลาย หงสา แลเชียงฮ่อน กองทัพอีสาน กองพลอุบลยึดได้แคว้นจำปาศักดิ์ กองพลสุรินทร์ยึดได้เมืองสำโรงจงกัล ทางจังหวัดเสียมราฐ กองทัพบูรพา ยึดได้พื้นที่ทางทิศตะวันตกของศรีโสภณ กองพลจันทบุรียึดได้บ้านกุบเรียง และบ้านห้วยเขมร ทางด้านทิศตะวันตกของบ่อไพลิน และพระตะบอง

การสู้รบทางอากาศ มีการปฏิบัติการตั้งแต่ก่อนการเคลื่อนกำลังทางบกข้ามเขตแดน นับตั้งแต่เมื่อวันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2483 มีการส่งเครื่องบินขึ้นไปสกัดกั้นเครื่องบินของฝ่ายฝรั่งเศสที่เข้ามาโจมตีไทย จากนั้นก็มีการตอบโต้ด้วยการส่งเครื่องบินไปโจมตีเป้าหมายทางยุทธศาสตร์ในลาวและเขมรอย่างต่อเนื่อง ตลอดจนการส่งเครื่องบินไปโจมตีสนามบินฝรังเศสที่นครวัดเมื่อวันที่ 24 มกราคม พ.ศ. 2484 และพนมเปญ เมื่อวันที่ 28 มกราคม พ.ศ. 2484 ซึ่งเป็นการโจมตีครั้งสุดท้าย

การสู้รบทางเรือ เมื่อวันที่ 17 มกราคม พ.ศ. 2484 เกิดการปะทะกันของกำลังทางเรือไทยกับฝรั่งเศสในยุทธนาวีเกาะช้าง ฝรั่งเศสได้ส่งกำลังทางเรือส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในอินโดจีนเข้ามาในน่านน้ำไทยทางด้านเกาะช้าง ด้วยความมุ่งหมายที่จะระดมยิงหัวเมืองชายทะเลทางภาคตะวันออกของประเทศไทย เพื่อกดดันให้กำลังทหารของไทยที่รุกข้ามชายแดนต้องถอนกำลังกลับมา กำลังเรือของฝรั่งเศสจำนวน 7 ลำ ปะทะเข้ากับกำลังทางเรือของไทยจำนวน 3 ลำ ผลการปะทะฝ่ายไทยเสียเรือรบไปทั้ง 3 ลำ ฝ่ายฝรั่งเศส เรือลาดตระเวนได้รับความเสียหาย จึงล่าถอยกลับไป

ประเทศญี่ปุ่นซึ่งเป็นประเทศมหาอำนาจในเวลานั้น (และได้ส่งกำลังทหารมาตั้งฐานทัพที่เมืองฮานอยและเมืองไฮฟองตั้งแต่เดือนสิงหาคม พ.ศ. 2483 แล้ว) เกรงว่าการสู้รบครั้งนี้จะเป็นอุปสรรคต่อแผนของตนที่จะรุกรานลงทางใต้[7] จึงได้ยื่นมือเข้ามาไกล่เกลี่ยเมื่อวันที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2484 ตกลงให้มีการหยุดยิงเมื่อวันที่ 28 มกราคม พ.ศ. 2484[6] และมีการลงนามหยุดยิงบนเรือลาดตระเวนของญี่ปุ่นชื่อนาโตริ หน้าอ่าวเมืองไซ่ง่อน เมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2484