Giữa năm 1967, đồng chí Phùng Thế Tài được bổ nhiệm chức vụ Phó tổng Tham mưu trưởng Quân đội nhân dân (QĐND) Việt Nam; cuối năm 1967, ông tiếp tục nhận chỉ thị từ Bác Hồ: “Sớm muộn rồi đế quốc Mỹ cũng sẽ đưa B-52 ra đánh Hà Nội, rồi có thua nó mới chịu thua. Phải dự kiến trước tình huống này càng sớm càng tốt... Ở Việt Nam, Mỹ nhất định thua, nhưng nó chỉ chịu thua sau khi thua trên bầu trời Hà Nội”.
Chấp hành sự chỉ đạo của Chủ tịch Hồ Chí Minh, từ năm 1968, Quân ủy Trung ương, Bộ Quốc phòng, Bộ Tổng Tham mưu giao nhiệm vụ cho Quân chủng PK-KQ xây dựng kế hoạch đánh máy bay B-52 của Mỹ trên bầu trời Thủ đô. Đồng chí Phùng Thế Tài đã thay mặt Bộ Tổng Tham mưu chỉ đạo Bộ tư lệnh Quân chủng PK-KQ tiếp tục đưa các đơn vị tên lửa, radar, không quân vào phía Nam Quân khu 4 để tham gia chiến đấu, rút kinh nghiệm, tìm ra cách đánh B-52.
Ngày 28-6-1972, Đại tướng, Tổng Tư lệnh Võ Nguyên Giáp trực tiếp chỉ thị cho Tư lệnh Quân chủng PK-KQ: Sắp tới, không quân Mỹ sẽ đánh ác liệt hơn, kể cả B-52. Ta phải kiên quyết tổ chức những trận hiệp đồng nhiều binh chủng, đánh địch đau hơn nữa, nhất là vào những thời gian cao điểm; giao cho Bộ Tổng Tham mưu mở hội nghị chuyên đề về cách đánh B-52.
Thực hiện chỉ thị của Đại tướng Võ Nguyên Giáp, ngày 6-7-1972, hai đồng chí Phó tổng Tham mưu trưởng là Vương Thừa Vũ và Phùng Thế Tài chủ trì hội nghị hẹp (gồm 10 đồng chí) bàn về cách đánh B-52. Sau khi nghe 8 ý kiến phát biểu, Phó tổng Tham mưu trưởng Phùng Thế Tài kết luận: Mỹ sẽ đem B-52 đến ném bom Hà Nội, Hải Phòng và vùng lân cận vào lúc ta thắng lớn ở miền Nam mà Mỹ lại ngoan cố muốn ép ta ở Hội nghị Paris... Với ta, bắn rơi máy bay B-52 là một nhiệm vụ cấp bách... Chúng ta cần có quyết tâm sắt đá; phải sử dụng toàn bộ lực lượng của PK-KQ, kể cả pháo cao xạ 100mm của các quân khu để bắn rơi máy bay B-52. Bộ tư lệnh Quân chủng PK-KQ cần hoàn chỉnh kế hoạch, tổ chức huấn luyện bộ đội thật công phu cả chiến thuật và kỹ thuật, xúc tiến công tác bảo đảm chiến đấu. Bộ Tổng Tham mưu sẽ tăng cường nắm hoạt động của B-52 để chỉ đạo kịp thời...
Tháng 9-1972, Quân chủng PK-KQ hoàn thành dự thảo cách đánh B-52 và tổ chức huấn luyện cho các đơn vị. Ngày 24-11-1972, tại Sở chỉ huy Quân chủng PK-KQ, Tổng Tham mưu trưởng QĐND Việt Nam Văn Tiến Dũng, Phó chủ nhiệm Tổng cục Chính trị QĐND Việt Nam Lê Quang Đạo và các đồng chí: Phùng Thế Tài, Vương Thừa Vũ, Cao Văn Khánh duyệt lần cuối kế hoạch tác chiến chống cuộc tập kích đường không chiến lược, chủ yếu bằng máy bay B-52 của đế quốc Mỹ vào Hà Nội, Hải Phòng và vùng lân cận; đồng thời yêu cầu Quân chủng phải hoàn thành mọi công tác chuẩn bị trước ngày 3-12-1972.
Trên cương vị Phó tổng Tham mưu trưởng phụ trách công tác PK-KQ, đồng chí Phùng Thế Tài luôn quan tâm sâu sắc đến chương trình bảo đảm kỹ thuật, cải tiến bộ khí tài tên lửa, thường xuyên gặp gỡ động viên, xúc tiến công việc với các chuyên gia quân sự Liên Xô tại Việt Nam. Chính đồng chí Phùng Thế Tài đã xúc tiến việc ký Hiệp định bổ sung No60 ngày 19-3-1971 về việc Liên Xô cử đoàn chuyên gia về máy đo tên lửa, mang theo trang thiết bị, vật tư kỹ thuật sang giúp ta kiểm tra, hiệu chỉnh tất cả máy đo trong tổ hợp tên lửa phòng không. Chuyên gia bạn và ta đã thực hiện xuất sắc công tác này, góp phần nâng cao chất lượng khí tài và đạn tên lửa phòng không đánh B-52.
Giữa tháng 12-1972, Phó tổng Tham mưu trưởng Phùng Thế Tài tập trung chỉ đạo công tác chuẩn bị cho Chiến dịch Phòng không Hà Nội-Hải Phòng. Chiều 18-12-1972, đồng chí Phùng Thế Tài từ sân bay Gia Lâm về Sở chỉ huy tác chiến (Bộ Tổng Tham mưu) và thông báo: Đồng chí Lê Đức Thọ (từ Paris về) cho biết, Hội nghị Paris bế tắc, ta phải cảnh giác cao độ. 16 giờ ngày 18-12 (4 giờ trước khi không quân Mỹ dùng B-52 ném bom Hà Nội), tin từ Cục Quân báo, có nhiều tốp B-52 cất cánh từ sân bay trên đảo Guam (Thái Bình Dương) sẽ đánh phá miền Bắc Việt Nam. Nhận báo cáo từ kíp trực ban, đồng chí Phó tổng Tham mưu trưởng Phùng Thế Tài báo cáo lãnh đạo Bộ Quốc phòng và thực hiện đầy đủ, nhanh chóng, chính xác mệnh lệnh chiến đấu của cấp trên.
19 giờ 40 phút ngày 18-12-1972, nhiều tốp B-52 đã giội bom xuống Hà Nội. 20 giờ l3 phút, chiếc B-52 đầu tiên bị Trung đoàn 261 (Sư đoàn 361) bắn rơi xuống cánh đồng Chuôm, thuộc xã Phù Lỗ, huyện Kim Anh, tỉnh Vĩnh Phú (nay thuộc huyện Sóc Sơn, TP Hà Nội). Tin chiến thắng đã xua tan bầu không khí căng thẳng. Đại tướng Võ Nguyên Giáp bước ra khỏi hầm, cảm thấy ấm áp lạ thường dù trời đang mưa bụi, rét đậm. Trong sở chỉ huy tác chiến, mọi người ôm chầm lấy nhau, vây quanh thủ trưởng Bộ Quốc phòng và thủ trưởng Tổng cục Chính trị, mắt ai cũng nhòe đi.
5 giờ sáng hôm sau, chiếc trực thăng chở đồng chí Phùng Thế Tài và tổ công tác đến cánh đồng Chuôm, xác định đúng máy bay B-52G của không quân Mỹ bị ta bắn rơi. Trên đường trở về, tổ công tác nêu ý kiến, bộ đội tên lửa có thể bắn rơi nhiều B-52 nên tên lửa chỉ dùng đánh B-52. Ban ngày phải ngụy trang trận địa tên lửa kín đáo, bộ đội tích cực luyện tập, rút kinh nghiệm kịp thời, tập trung cao độ tiêu diệt B-52 vào ban đêm. Phó tổng Tham mưu trưởng Phùng Thế Tài nhất trí và báo cáo với Tổng Tham mưu trưởng Văn Tiến Dũng.
Trong suốt 12 ngày đêm cuối tháng 12-1972, đồng chí Phùng Thế Tài luôn bám sát tình hình, kịp thời tham mưu với Tổng Tư lệnh Võ Nguyên Giáp, Tổng Tham mưu trưởng Văn Tiến Dũng chỉ đạo, chỉ huy những trận đánh then chốt, giành thắng lợi hết sức to lớn trên bầu trời Hà Nội. Đồng chí Phùng Thế Tài còn đôn đốc quyết liệt Hà Nội, Hải Phòng và các tỉnh, thành phố sơ tán triệt để nhân dân, ra sức làm tốt công tác phòng không nhân dân, giữ gìn an ninh trật tự và bảo đảm công tác giao thông vận tải chi viện chiến trường...
Trận quyết chiến chiến lược trên bầu trời Hà Nội cuối tháng 12-1972 kết thúc thắng lợi, buộc Hoa Kỳ phải ký kết Hiệp định Paris về chấm dứt chiến tranh, lập lại hòa bình ở Việt Nam. Chiến thắng vĩ đại này có đóng góp quan trọng của đồng chí Phùng Thế Tài.
Thiếu tướng NGUYỄN VĂN NINH, Nguyên Phó cục trưởng Cục Tác chiến, Bộ Tổng Tham mưu QĐND Việt Nam