Thực hiện sự chỉ đạo của Đảng, các địa phương và LLVT tập trung chuẩn bị chu đáo mọi mặt, tích cực triển khai công tác phòng không nhân dân. Trên toàn miền Bắc, hệ thống phòng không được tập trung chấn chỉnh và tăng cường, lấy bộ đội phòng không, hải quân làm nòng cốt. Các cơ quan, doanh nghiệp, địa phương thành lập và huấn luyện lực lượng dân quân, tự vệ (DQTV) đánh giặc và bắn máy bay; phát động phong trào toàn dân bắn máy bay địch bằng vũ khí bộ binh. Cụ thể như tỉnh Thanh Hóa đã thành lập các đơn vị pháo binh dân quân cho các đơn vị ven biển và các tổ dân quân bắn máy bay bằng súng bộ binh. Tỉnh Quảng Ninh đã thành lập các đại đội, tiểu đoàn tự vệ phòng không, SSCĐ bắn máy bay địch, bảo vệ vùng mỏ...
Chuẩn bị cho tác chiến trên biển và phòng không trên biển, Bộ tư lệnh Hải quân chỉ đạo các cơ quan, đơn vị làm tốt công tác huấn luyện, chuẩn bị chiến đấu, chú trọng huấn luyện hiệp đồng tác chiến và giáo dục, rèn luyện bộ đội nâng cao bản lĩnh chính trị, bản lĩnh chiến đấu. Ngành kỹ thuật Hải quân khẩn trương tổ chức bảo đảm kỹ thuật tàu thuyền, vũ khí trang bị kỹ thuật; hoán cải, thay thế, lắp đặt vũ khí mới cho các tàu chiến đấu và tuần tiễu. Cụ thể như thay thế pháo 40mm, 20mm một nòng đã cũ, lạc hậu, bằng pháo 37mm hai nòng và súng máy 14,5mm hai nòng có tốc độ bắn nhanh, chính xác hơn lên tàu tuần tiễu K210-A và lắp thêm súng 14,5mm cho một số ca nô để tham gia chiến đấu. Đến tháng 7-1964, gần 70% số tàu tuần tiễu của Bộ tư lệnh Hải quân đã được thay lắp vũ khí trang bị hoàn chỉnh, vừa bảo đảm tính năng kỹ thuật, vừa bảo đảm khả năng chiến đấu, nhất là chiến đấu phòng không trong điều kiện hoạt động tuần tiễu độc lập trên biển.
Cùng với bộ đội hải quân, các mặt công tác chuẩn bị chiến đấu của Quân chủng Phòng không-Không quân (PK-KQ) đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Mạng ra-đa thực hiện việc quản lý vùng trời, vùng biển của Tổ quốc. Quân chủng được trang bị nhiều hệ thống pháo phòng không mới, tiên tiến; hồi phục và cải tiến thành công pháo phòng không 90mm, 88mm, bổ sung cho các trận địa pháo phòng không. Công tác phòng không nhân dân được triển khai rộng khắp. Hàng trăm trận địa bắn máy bay bằng súng bộ binh của DQTV, công an vũ trang, phối hợp với bộ đội pháo phòng không và hải quân, tạo nên mạng lưới phòng không nhiều tầng, nhiều lớp, sẵn sàng đánh máy bay địch.
Bằng sự chuẩn bị chu đáo, tinh thần cảnh giác, SSCĐ cao, trưa ngày 5-8-1964, khi không quân hải quân Mỹ đánh phá miền Bắc nước ta, các đơn vị của Quân chủng PK-KQ, Bộ tư lệnh Hải quân và lực lượng phòng không, DQTV các địa phương và công an vũ trang đã bước vào chiến đấu được ngay. Các đơn vị đã hiệp đồng chặt chẽ, cùng nhau thi đua đánh địch. Trong quá trình chiến đấu, bộ đội phòng không, hải quân, DQTV, công an vũ trang rất linh hoạt, vừa đánh vừa rút kinh nghiệm, cơ động lực lượng để tránh các đòn tiến công của địch. Rút kinh nghiệm từ những trận đánh trước không đánh trúng địch, Tiểu đoàn pháo cao xạ 217 bảo vệ vùng mỏ Hồng Gai đã phán đoán đúng đường bay, đón lõng ở khe núi khi địch từ biển bay vào và khẩu đội súng phòng không 14,5mm của tiểu đoàn đã bắn hạ một chiếc máy bay AD4, bắt sống tên giặc lái Mỹ Anvarez. Đây là tên giặc lái đầu tiên bị bắt sống trên miền Bắc.
Trong tổ chức chiến đấu, bộ đội hải quân tổ chức sơ tán kịp thời, giảm đáng kể thiệt hại do bom đạn địch gây ra cho người và cơ sở vật chất kỹ thuật; phối hợp hiệp đồng chặt chẽ với các lực lượng pháo cao xạ, công an vũ trang, DQTV và nhân dân ven biển các địa phương, chiến đấu kiên cường, dũng cảm, bảo vệ các mục tiêu được phân công. Các tàu vừa chiến đấu, vừa vận động tránh đạn, bắn rơi máy bay địch...
Trong trận chiến đấu đầu tiên với không quân và hải quân Mỹ ngày 5-8-1964, bộ đội hải quân cùng quân và dân miền Bắc đã bắn rơi 8 máy bay địch, bắn nhiều chiếc bị thương, bắt sống phi công Mỹ. Chiến thắng trận đầu này có ý nghĩa quan trọng về quân sự và chính trị, cổ vũ quân và dân ta quyết tâm đánh Mỹ, dám đánh và đánh thắng. Chiến thắng trận đầu 5-8-1964 là kết quả của công tác chuẩn bị chu đáo, xây dựng lực lượng và hiệp đồng tác chiến phòng không chặt chẽ, linh hoạt. Từ những kinh nghiệm chiến đấu làm cơ sở để bộ đội hải quân, PK-KQ và LLVT địa phương tiếp tục vận dụng và phát triển nghệ thuật chiến đấu trong điều kiện mới.
DƯƠNG HÀ