1964年7月30日夜間，南越政府軍炮擊北越控製的紐島和湄島。8月2日下午，美國驅逐艦“馬多克斯號”與北越的魚雷艇交火。8月4日夜，“馬多克斯號”在東京灣水域再次與北越艦艇交火，發生了所謂“東京灣事件”（Tonkin Gulf Incident）。8月7日，約翰遜總統敦促國會通過了授權總統使用武力、擴大侵越戰爭的所謂“東京灣決議”（Tonkin Gulf Resolution），越南內戰公開升級為美國直接進行的戰爭。
1965年2月起，美軍開始對北越進行大規模的持續的空中轟炸。3月，美軍地麵部隊開始正式卷入越戰。4月，增派4萬美軍赴越。5月，國會撥款4億美元支持越戰。然而，越南的軍事形勢並沒有因為美軍的大規模卷入而有所好轉。7月，約翰遜總統決定使用B-52轟炸機對南越“民解”進行飽和轟炸，同時立即增派5萬美軍赴越，年底前再增加5萬美軍。到1967年底，侵越美軍已接近50萬人，大規模的空襲摧毀了北越的工業體係、運輸網和南越近一半的森林資源，但是美軍全麵勝利的希望卻渺無蹤影。
1967年的美國政府深陷於越戰泥沼，進退兩難，眾叛親離。國內的反戰聲浪日高一日。1968年1月底，南越“民解”發起強大的春節攻勢，使侵越美軍和南越政府遭到沉重打擊。3月初，美國政府通知南越阮文紹政權：美國的援助將局限於南越獨立作戰的能力；這標誌著1965年以來的“戰爭美國化”開始轉向“戰爭越南化”。
1968年3月中旬，美國國會要求政府重新審查越南政策。美國輿論界普遍認為，越戰是一場打不贏的戰爭。3月31日，約翰遜總統在多方麵壓力下做出決定，宣布限製對北越的轟炸，謀求和談。
5月13日，美國與北越在巴黎開始和談。但是，美國拒絕無條件停止轟炸，致使和談陷入僵局。11月中旬，美國、南越、北越和越南南方民族解放陣線四方重開巴黎和談，但是，在約翰遜總統任內一直未能取得實質性進展。
1968年，理查德·尼克鬆當選為美國總統。在隨後的1971年和1972年間，尼克鬆總統繼續玩弄軟硬兼施、出爾反爾、陰奉陽違的兩手政策：為了應付國內的反戰壓力表麵上不斷撤軍，實際上卻不斷地以空襲等手段升級戰爭。然而，尼克鬆“以打求和”的戰略終歸是一相情願，未能產生預想的效果，他本人也被指責為“瘋子”，國內民意測驗顯示其公眾支持率跌至39%。
1973年1月8日，尼克鬆政府不得不回到談判桌上來。1月27日，美國與越南各方達成《關於在越南結束戰爭、恢複和平的協定》（簡稱《巴黎協定》），規定美軍在停火後60天內全部撤出越南，北越釋放美國戰俘，越南問題留給越南各方自行協商解決。《巴黎協定》的簽署標誌著長達12年的越南戰爭初步結束。
1975年，最後一批美國人羞愧地匆忙撤出了西貢的美國大使館，美國外交史上的一個時代宣告結束。這個結局是羞辱的。1978年，根據一次民意測驗，近3/4的美國人認為，越南戰爭“不僅是個錯誤，根本就是不道德的。”
——（美）卡爾·戴格勒