O definitivním dobytí základny rozhodl severovietnamský generál Võ Nguyên Giap, který měl hlavní slovo ve vojenském vedení Severního Vietnamu. Do té doby nejrozsáhlejší severovietnamský útok začal nad ránem 21. ledna 1968 mohutným ostřelováním základny Khe Sahn a pokračoval nakonec obléháním trvajícím čtyři měsíce. Během něj se Severovietnamci snažili americkou základnu ovládnout nebo aspoň silně poničit.
Protože však Američané udrželi v provozu letiště, mohli pravidelně do obležené základny dodávat zásoby i vojáky. Používaly se k tomu letouny C-123B Provider, kterým stačilo k přistáni jen 430 metrů. „Vykopnutí“ nákladu z otevřených dveří při dojezdu a naložení raněných nesmělo trvat déle než 3 minuty. Když tento čas uplynul, letoun znovu vzlétl. Letouny C-130 Herkules zase dokázaly prolétnout nad základnou Khe Sanh ve výšce 1,8 metru. Přitom se z otevřených vrat nákladního prostoru vysunula tyč zakončená hákem, který se při průletu zachytil za lano natažené přes přistávací dráhu a tím se z letadla okamžitě vytáhla plošina s nákladem až 16 300 kg. Navíc se Američané mohli opřít o svou jednoznačnou vzdušnou převahu a brzy po útoku začalo masivní letecké bombardování severovietnamských výchozích pozic.
Na americkou základnu útočily celkem dvě severovietnamské divize (304. a 325.) o síle asi 17 tisíc mužů, které si vydobyly slávu v bitvě u Dien Bien Phu. Další severovietnamská divize se rozvinula severovýchodně od americké základny. Na obléhání Khe Sanhu tak bylo nasazeno více než 50 000 severovietnamských vojáků. Američané naproti tomu navýšili obranu základny z jednoho praporu na dva pluky, tj. na asi 6 tisíc mužů.
Američané předpokládali, že dojde k masivnímu severovietnamskému útoku na základnu, ale to se nestalo. Několik útoků bylo provedeno jen na úrovni praporu, které námořní pěchota odrazila. Velitel základny si také vyžádal seismická a akustická čidla, která byla rozmístěna kolem základny a včas varovala před podezřelou aktivitu venku. Ukázala se jako velmi účinná, a tak výrazně přispěla k lepšímu zabezpečení základny. Ještě účinněji proti severovietnamské armádě a Vietkongu zasahovali ostřelovači námořní pěchoty. I když jejich oběťmi byli jen jednotlivci, a to nijak mnoho, mezi komunistickými vojáky se začal šířit strach.
Patovou situaci nakonec rozsekla americká 1. aeromobilní divize, která 1. dubna 1968 zahájila operaci Pegasus a prolomila obklíčení základny zvenčí a vcelku bez odporu a bez boje vstoupili do Khe Sanhu 7. dubna. Do této operace bylo zapojeno asi 20 tisíc mužů – skoro polovina všech amerických bojových jednotek ve Vietnamu. Během operace Američané a jejich spojenci utrpěli ztráty 703 padlých, 2 642 raněných a 7 nezvěstných. Severovietnamské ztráty byly odhadovány na 5 000 mrtvých, 13 Vietnamců bylo zajato. Tím také Američané generálovi Giapovi a severokorejskému velení dokázali, že už není možné zopakovat způsob, jakým před časem dobyli francouzské postavení na Dien Bien Phu, kde Severovietnamcům radili sovětští a čínští poradci a kde severovietnamská armáda použila taktiku lidské vlny jako Sověti ve druhé světové válce, bez ohledu na ztráty. Francouzi v této bitvě prohráli také hlavně proto, že se jim zadřely nebo jim došly náboje.
Po prolomení obklíčení Američané okamžitě zahájili operaci Scotland II – pronásledování vietnamských jednotek v oblasti. Přitom utrpěli skoro dvojnásobné ztráty, než v době obležení Khe Sanhu. Protože však po ofenzivě Tet bylo urychleno stahování amerických jednotek z Vietnamu, koncem června 1968 byla zahájena evakuace posádky Khe Sanh a 15. července 1968 základnu stejně nakonec ovládli vojáci Severního Vietnamu.
Výsledek této bitvy je dodnes sporný, neboť vítězství si nárokují obě strany. Především není zcela jasné, jaký byl strategický záměr Severního Vietnamu, zda dobytí základny a otevření cesty na jih, odlákání pozornosti protivníka od chystané ofenzivy Tet, nebo jenom zajištění pohraniční oblasti před možným americkým útokem na Severní Vietnam. Zatímco americké velení zdůrazňovalo, že Vietnamcům se nepodařilo zopakovat jejich úspěch u Dien Bien Phu, pro vietnamskou stranu je rozhodující, že se podařilo odlákat významné americké síly od hlavního města Saigonu a že základna nakonec padla do jejích rukou.
Média v USA následně začala řešit otázku, proč vojáci v červenci základnu opustili, když ještě v lednu byla považovaná za strategicky důležitou. Velení armády na to odpovědělo, že nepřítel změnil svou taktiku a držení tak odlehlé základny už nebylo nutné.
Možná ale měl na podivném osudu základny Khe Sanh svůj neblahý podíl prezident Johnson, který se rád a dosti vměšoval vojákům „do práce“, a to ne vždy úplně šťastně.
