第一阶段，从1965年6月开始到1970年7月结束。这一阶段是越南战争最激烈最艰难的阶段。据此，中国共派出了32万支援部队，在越南北方执行防空作战、修建和抢修铁路、机场、通信、工程、设防工程等任务。其战况是：
防空部队，赴越协助越北防空作战，保护交通线。根据中越两军协议和1965年7月14日越军总参谋部的请求，援越高射炮兵部队首批于1965年8月1日入越。第一批系第六十一、第六十三支队，分别从云南、广西开赴北越作战，至1966年2月回国；第二批，高射炮兵部队于1966年2月入越作战，至1966年10月回国；第三批，高射炮兵部队于1966年10月入越作战，至1967年6月回国；第四批，高射炮兵部队于1967年1月入越作战，至1967年8月回国；第五批，高射炮兵部队于1967年5月入越作战，至1968年1月回国；第六批，高射炮兵部队于1967年6月入越作战，至1968年1月回国；第七批，高射炮兵部队于1967年8月入越作战，至1968年3月回国；第八批，高射炮兵部队于1968年1月入越作战，至1969年2月回国；第九批，高射炮兵部队于1968年3月入越作战，1969年2月回国。至1969年4月止，高炮部队入越轮换作战，计有16个支队、辖63个团和50个队属高炮营、及部分高机连和勤务分队等，总计15万余人。主要担负河内至友谊关铁路线北宁至谅山段、河内至老街铁路线安沛至老街段、新建的克夫至太原铁路线以及太原钢铁基地的防空作战任务，并掩护中国援越工程部队的施工。
美机对越南北方的轰炸，战术变化多端。对地面目标实行狂轰滥炸；对防空部队，实施电子干扰炮瞄雷达，使用“百舌鸟”反雷达导弹；对人员，使用杀伤力大的钢珠子母弹、气浪弹和蝴蝶弹等。针对美机的战术变化和杀伤力强的新式武器及狂轰滥炸等特点，高炮兵部队采取重点设防与机动作战相结合的战术和集火近战的打法，从被动中争取主动，歼灭美机，保卫目标的安全。在历时3年9个月的援越抗美防空作战中，共作战2153次，击落美机1707架，击伤1608架，沉重地打击了美国侵略者，保卫了越南北方领空，有力地支持了越南人民的抗美救国斗争。1968年3月31日，美国政府迫于国内和国际压力，对越南北方的轰炸开始“逐步降级”。5月31日，越美两国政府在巴黎开始和平谈判。从11月1日起，美军停止轰炸越南北方。据此，经中越两国政府商定，中国援越高炮部队于1969年4月底前陆续回国。
帮助修建内排、安沛两个现代化机场和飞机洞库。越南北方的原有机场不能起降喷气式飞机，对抗美作战影响很大。应越南政府要求，中国空军和民用航空局于1961年至1965年间，派专家组进行设计、指导，并提供成套设备和材料。机场之飞机洞库，于1968年9月16日至1969年11月5日由中国支援第七支队修建。1965年1月，越南要求中国在安沛援建一个空军机场。5月，承建该机场工程的中国支援第三支队先遣人员抵达安沛，开始现场勘察设计。安沛机场地形复杂，濒临红河，群山环抱。安沛又是美机空袭的重点之一，市区又被炸成一片瓦砾。第三支队于11月22日正式动工，经过3年6个月的艰苦奋战，于1969年5月21日全部竣工。该机场飞机洞库于1968年9月开工，于翌年10月27日提前完工，工程质量优良。
中国支援部队第一支队赴越抢修、改建、新建铁路。1965年初，美国侵越战争升级，连续对越北进行空袭，仅4月3日至6日，出动大批飞机连续轰炸5座铁路桥梁。由于敌机轰炸破坏，越南北方仅有的几条铁路基本上处于瘫痪状态。4月27日，中越两国政府签订了关于帮助越南修建铁路和提供运输设备器材的议定书。中国帮助越南在河内以北地区修建的铁路工程项目达100个，第一支队于1965年6月23日，兵分两路，从友谊关河口赴越，执行对河内以北地区铁路的抢修、抢建任务。指战员们克服美机轰炸、酷热多雨、洪水泛滥以及不易就地取材等困难，奋战至1970年6月5日，提前完成了各项工程。共计完成了新建铁路117公里、改建铁路362公里、抢建铁路战备工程98公里，新建铁路桥梁30座、隧道14条、新建扩建铁路站段20个、架设通信线路1023对、敷设水底通信电缆近8公里。各项铁路援建工程的圆满完成，不但使越南河内以北地区铁路干线长度由508公里增长到554公里，而且使主要路段联络成网，使运输能力成倍提高，仅河（内）友（谊关）线铁路运输能力由原来的146万吨提高到280万吨，有力地保障了越南抗美战争的运输需要。
同时，第一支队按照中越两国协议，担负了上述铁路干线的维护工作，圆满地完成任务，保证了河内以北地区各条铁路的畅通，为越南抗美战争的胜利做出了贡献。于1970年7月1日，全支队奉命回国。
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