Việt nam là nới diễn ra modern air war đầu tiên. Mỹ sử dụng tất cả những hệ vũ khí mới nhất để đảm bảo sự thống trị trên không, chống lại các hệ thống vũ khí thế hệ mới của Nga.
Nhưng, ngược lại với mong muốn của Bộ quốc phòng, mọi chuyện không xuôn sẻ.
F4 dựa hoàn toàn vào tên lửa, nhưng độ tin cậy của tên lửa thì rất thấp, khả năng bắn trúng mục tiêu bay thấp và cơ động mạnh kém.
Từ trận không chiến đầu tiên cho đến mùa hè 1967, phi công Mỹ vẫn đạt tỷ lệ diệt tích cực. Trong hai trận đánh vào đầu tháng 1/1967, F4 bắn rơi 9 Mig21 mà không bị rơi chiếc nào [1]
Tháng 4, 5, 6/1967, Mig lại tiếp tục tham chiến, Không quân Mỹ đã tập trung đối phó: bắn rơi 32 Mig, trong khi mất có 2 máy bay. Thiệt hại của KQNDVN nặng tới mức họ biến mất khỏi bầu trời trong nhiều tháng.
Nhưng, thật ngạc nhiên, bất chấp biết được Mỹ đã trang bị công nghệ mới, vào cuối tháng 8 và sang tháng 9, KQNDVN đã trở lại bầu trời sau thất bại hồi tháng 5, đe doạ nghiêm trọng KQ Mỹ. Nhưng vẫn vậy, KQ Mỹ tiếp tục adminstered several sharp defeats. Dường như chu trình này sẽ lặp lại.
Nhưng, bất chấp thiệt hại, KQNDVN không lùi bước. Lần này họ thay đổi cách đánh, with exceptionally good close radar control - GCI (dẫn đường bằng ra da). Hiệu quả của chiến thuật mới thật rùng mình (electrifying-điện giật). Từ cuối 1967 cho đến hết chiến dịch Sấm Rền (Rolling Thunder, Mig21 bắn rơi trên 5 máy bay Mỹ cho mỗi máy bay họ bị hạ.
Sau khi Sấm rền kết thúc. KQ Mỹ tổng kết rằng, thiếu huấn luyện là nguyên nhân chính của thất bại.
Cuộc chiến tranh lần hai bắt đầu vào tháng 4/1972 với chiến dịch Freedom Train và 5/72 với chiến dịch Linebacker I. Lại lần nữa, các máy bay F4 Hải quân Mỹ với ưu thế công nghệ lại đem lại cho KQNDVn những chu kỳ thiệt hại giống như trong chiến dịch Sấm Rền. KQNDVN liền dừng tấn công máy bay Hải quân Mỹ, quay sang tấn công máy bay Không quân Mỹ, một chiến thuật đã được chứng minh là hết sức thành công vào cuối chiến dịch Sấm Rền. Trong hầu hết mùa hè, Mig thống trị các trận đánh với máy bay của Không quân Mỹ, cho đến tháng 9 khi Mỹ thực hiện một loạt cải tiến công nghệ, contest lại tiếp tục cho đến hết Linebacker I vào tháng 10/1972.
Giai đoạn khốc liệt nhất và quan trọng nhất của cuộc chiến bắt đầu vào tháng 12/72. Thật ngạc nhiên, Mig không có mấy tác dụng với B52 bay đêm. Nhưng chỉ với ít missions flown, KQNDVN lần nữa lại thể hiện họ ngang bằng với các phi công F4 Không quân Mỹ. Và vào cuối tháng 12, chỉ có những người sô vanh điên cuồng nhất mới có thể nói máy bay Mỹ đã làm chủ bầu trời (only the most ardent chauvinists could say that US fighter force had achieve air superiority).
Lực lượng oanh kích chính của KQ Mỹ ở miền Bắc Việt nam trong chiến dịch Sấm Rền là F105 Thần sấm. F105 B ban đầu được thiết kế là máy bay ném bom nguyên tử chiến thuật tầm xa, bay thấp dùng ở Châu Âu. Nó có cánh bé để bay nhanh và khoang mang bom hạt nhân. F105 D với hình dáng gần như giống hệt được phát triển làm máy bay ném bom hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, với thùng dầu ở vị trí khoang chứa bom.
F105 gặp vấn đề lớn về bảo trì, nhưng đã được giải quyết trước chiến dịch. Đa số F105 model có một phi công, nhưng cũng có F105F 2 phi công dùng cho các sứ mệnh đặc biệt.
F105 là loại máy bay nhanh nhất thế giới ở tầm thấp, và cho dù được thiết kế chuyên biệt cho ném bom, trong chiến dịch Sấm rền (Rolling Thunder), F105 kịch chiến với Mig nhiều hơn so với toàn bộ các máy bay khác cộng lại.
F105 mang khẩu hoả diệm sơn M-61 (20mm - Vulcan), với tốc độ bắn 6,000 viên /phút, và khi sử dụng như tiêm kích (ít khi thôi), có thể mang 4 tên lửa tầm nhiệt Aim-9 sidewinder treo ở hai giá đúp. Giá đúp này gây ra nhiều sức cản, và làm giảm khối lượng bom đạn mang theo, nên ít khi F105 mang Aim9 trong các phi vụ ném bom. Vì cánh nhỏ nên cung cấp rất ít lực nâng cho F105 khi ngoặt, nó nổi tiếng vì kém cơ động, nhưng bất chấp khả năng lượn kém, khẩu cannon và tốc độ cao sau khi đã vứt bom khiến cho chiếc F105 được điều khiển tốt rất hữu dụng trong các cuộc không chiến trống lại Mig17.
Một nửa các đơn vị air-to-air của Hải quân Mỹ trang bị F8 một ghế, một máy bay tiêm kích không biết thoả hiệp (uncompromising air superiority fighter). Nhanh và cơ động lanh lẹ, trang bị súng 20mm Colt Mark 12 và 2 hoặc 4 tên lửa Sidewinder ở ngang sườn, và một bộ ra đa có khả năng hạn chế. Phi công F8 được huấn luyện đặc biệt tốt với các trận đánh quần vòng (dogfight) và tự hào về thành tích; Họ tin rằng máy bay của họ là loại tốt nhất trong không chiến trên thế giới. F8 xuất kích từ các tàu sân bay loại nhỏ, thuộc thế hệ Project 27 - Charlie, sản xuất từ WW 2: Essex class carriers, Oriskany, Bon Homme Richard, Han****, Intrepid, Lexington, Ticonderoga, và Shangri La, vốn đều được sửa chữa để vận hành máy bay phản lực.
Cả KQ và HQ sử dụng F4 Phantom II, hai chỗ. Ban đầu F4 được phát triển nhằm đem lại cho HQ lực lượng tiêm kích trang bị ra da và tên lửa, nhưng với performance so impressive, KQ cũng chọn luôn nó làm máy bay chiến đấu đa năng. HQ gọi F4 là F4 B; KQ gán là F4C, nhưng về bản chất chúng là một loại máy bay. Từ lúc đầu, F4C trở thành lực lượng tiêm kích chủ đạo của KQ, nhưng F4B thì chia sẻ nhiệm vụ với F8.
Trên phần lớn các khía cạnh, F4 là một máy bay excelent. Tăng tốc nhanh, bay gấp đôi tốc độ âm thanh ở tầm cao và siêu thanh ở tầm thấp, và có hệ thống ra đa cực mạnh vận hành bởi người phi công thứ hai ngồi ở ghế sau. Ở F4 HQ, phi công ngồi sau là navigator, gọi là RIO (radar intercept officer). Ở F4 KQ, phi công ngồi sau là người vừa mới tốt nghiệp bay, thường được biết đến như GIB (guy in back). F4 của KQ cũng thường mang tổ hợp điều khiển bay dùng cho GIB; F4 HQ thì không .
Khi không chiến, F4 có thể mang tới 8 tên lửa, 4 AIM9 tìm nhiệt và 4 tên lửa dẫn đường bằng rada tầm xa AIM7 Sparrow. THeo xu thế, F4 không trang bị súng, và trên thực tế, ít phi công yêu cầu lắp đặt chúng.
Các tên lửa không đối không mà máy bay Mỹ mang được kỳ vọng sẽ đem lại ưu thế về không chiến. Cả ba loại máy bay đều có thể mang Side winder, một loại tên lửa tìm nhiệt tương đối cũ, được sử dụng hiệu quả trong chiếnt rận năm 1958 bởi những người Quốc gia Trung quốc (Nationalist Chinese). Aim-9b của KQ và HQ vào đầu chiến dịch Sấm Rền nhẹ chỉ 164 pounds với 25 pound đầu nổ (trong đó 10.5 pound là chất nổ) và dễ vận dụng. Khi đầu dò hồng ngoại (infrared seeker) ở đầu Aim-9 cảm nhận được sức nóng từ ống xả động cơ của đích ngắm, tên lửa reo một tín hiệu âm thanh vào tai nghe của phi công. Phi công điều khiển máy bay tiến vào khu vực bắn hiệu dụng của tên lửa (missile envelop [1]) - cơ bản là một hình nón 30 độ, ở sau mục tiêu 1 dặm hoặc ít hơn - và bắn tên lửa, tên lửa sẽ tự lao vào nguồn nóng. Có nhiều ưu thế chiến thuật với tên lửa tìm nhiệt. Giờ đây, thay vì phải tiếp cận trong vòng 2000 feet để dùng cannon, máy bay trang bị tên lửa có thể tấn công từ xa đến gần 1 dặm trong một khu vực rộng phía sau mục tiêu.
Sidewinder có một số nhược điểm. Chiến đấu cơ chỉ có thể mang số lượng ít (4 quả với F4 và F105, và 2 hoặc 4 với F8) bằng giá treo ngoài, và tổ hợp tên lửa - giá treo gây nên lực cản phụ trội làm giảm độ cơ động. Phi công cũng biết rằng Aim9 mới được kiểm tra bằng các mục tiêu ném bom tương đối không cơ động ở độ cao lớn; hiệu quả của Aim9 với mục tiêu tầm thấp đang cơ động vẫn chưa được chứng tỏ (gần như ngay khi Aim9 đưọc đưa vào sử dụng, các phi đội đã nhận thức được vấn đề của tên lửa trong không chiến, và yêu cầu phi công lao xuống thấp và lượn để tránh các tấn công bằng tên lửa tìm nhiệt. Điều gần giống hệt cũng xảy ra với không quân Bắc việt về sau trong chiến dịch Sấm Rền). Dẫu vậy, Aim9 làm tăng đáng kể tiềm năng của máy bay Mỹ, và máy bay địch phải "tôn trọng" nó mà bị giới hạn khả năng cơ động.
Loại Aim7 dẫn bằng Rada dùng cho F4 thậm chí còn cung cấp ưu thế hơn rất nhiều so với Aim9. Đây là loại tên lửa "all-aspect" có thể bắn từ mọi góc độ quanh mục tiêu, thay bằng chỉ bắn từ phía sau. Nó thực sự trở thành điểm đột phá - máy bay So viet không có khả năng này, nên F4 có thể bắn sớm hơn địch thủ nhiều. Aim7 cũng có tầm xa hơn nhiều aim9, vào khoảng 12 dặm nếu tấn công đối đầu và 3 dặm từ phía sau. Sparow nặng 400 pounds, mang đầu đạn 65 pound, để giảm tối thiểu lực cản và không choán nhiều chỗ, nó được treo nửa chìm trong thân của F4.
Aim7 là loại tên lửa bán chủ động "semi-active beam rider" sử dụng kết hợp với F4''s rada tìm và bám mục tiêu. Ở chế độ bình thường, rada như một bóng đèn trong phòng, khi nó bám vào mục tiêu, tia sáng thu hẹp lại thành một flashlight chiếu vào mục tiêu. Aim7 bay theo tia chiếu của Rada, hướng về tia phản xạ từ mục tiêu.
Mặt nhược là để dẫn Aim7 rada phải bám liên tục vào mục tiêu trong toàn bộ thời gian tên lửa đang bay, và thứ tự bắn Aim7 rất mất thời gian và phức tạp. Hơn nữa, Rada và Aim7 không tốt lắm với mcụ tiêu bay phía dưới F4, nhất là ở độ cao thấp, bởi hiện tượng "ground cluster" (kqndvn: nhiễu địa vật) vốn tác động đến tất cả các rada vào thời kỳ đó. Khi tia chiếu của rada chạm đất, nó tạo ra đám phản xạ vào rada, khiến cho gần như không thể nhận dạng một máy bay đang bay thấp hoặc quan sát xuống từ trên cao.
Bởi vì nhiễu địa vật, quy tắc là tấn công mục tiêu cùng độ cao hoặc cao hơn F4 để Aim7 có hiệu quả. Càng cao hơn mặt đất thì càng tốt. Đây là vấn đề chính trong chiến tranh Việt nam. Đầu đạn của Aim 7 và 9 có đầu nổ proximity fuse, sẽ kích nổ khi tên lửa bay gần mục tiêu mà không cần phải đâm trúng. Mặt nhược là cả hai tên lửa đều có khoảng bắn tối thiểu lớn, là khoảng an toàn để tránh cho tên lửa không nổ ngay khi vừa được bắn. Ở trong khoảng tối thiểu này - khoảng 3000 feets - ngòi nổ sẽ không được kích hoạt; tên lửa bắn trong khoảng này đơn giản chỉ thành một viên đạn lớn, đắt đỏ, và đần độn. Khoảng bắn tối thìểu này lại là bắt đầu của khoảng bắn hiệu quả của cannon (không tồn tại ở F4), có hiệu quả hơn ở tầm gần. Cannon bị coi là quá khứ, người ta nói McNamara đã bảo rằng trong chiến tranh hiện đại, ý tưởng gắn Cannon cho máy bay là cổ hủ như là mũi tên và cây cung.