Từ ngày 18 đến 30 tháng 12 năm 1972, không quân Mỹ tiến hành chiến dịch ném bom tập trung nhất vào Hà Nội và Hải Phòng, sử dụng hàng trăm máy bay B-52 — loại pháo đài bay chiến lược được mệnh danh là "bất khả chiến bại". Mỹ gọi chiến dịch này là Linebacker II với mục tiêu buộc Việt Nam phải chấp nhận các điều khoản đàm phán có lợi cho họ tại Hội nghị Paris. Việt Nam gọi đây là "Điện Biên Phủ trên không".
Mỹ đã huy động đây là cuộc không kích lớn nhất kể từ Chiến tranh Thế giới II: tổng cộng 729 lần xuất kích B-52 và hơn 1.000 lần xuất kích máy bay chiến thuật trong 12 ngày đêm. Các mục tiêu tại Hà Nội bị ném bom liên tục, trong đó có nhiều khu dân cư đông đúc như phố Khâm Thiên (26/12/1972) — nơi 287 dân thường thiệt mạng trong một đêm và toàn bộ phố bị san phẳng. Bệnh viện Bạch Mai cũng bị trúng bom, gây thiệt hại nặng nề.
Tuy nhiên, lực lượng phòng không Hà Nội đã anh dũng chiến đấu với hệ thống tên lửa SAM-2 và các khẩu đội pháo cao xạ. Trong 12 ngày đêm, lực lượng phòng không bắn hạ 81 máy bay Mỹ các loại, trong đó có 34 chiếc B-52 — chứng minh rằng không có vũ khí nào là bất khả chiến bại khi đối mặt với ý chí kiên cường của người Hà Nội. Phi công Mỹ bị bắt sống được đưa qua các phố Hà Nội trong các đoàn diễu hành đầy biểu tượng.
Chiến thắng Điện Biên Phủ trên không buộc Mỹ phải ngồi vào bàn đàm phán một cách nghiêm túc. Ngày 27/1/1973, Hiệp định Paris được ký kết, Mỹ cam kết rút toàn bộ quân khỏi Việt Nam. Đây là bước ngoặt quyết định dẫn đến việc Mỹ rút quân và tạo điều kiện cho chiến dịch Hồ Chí Minh năm 1975 thống nhất đất nước.
Ngày nay, Hà Nội có nhiều địa điểm tưởng niệm trận Điện Biên Phủ trên không: Bảo tàng Phòng không — Không quân (số 173 Trường Chinh) trưng bày các mảnh xác B-52 và hiện vật chiến tranh; xác máy bay B-52 vẫn còn nằm dưới hồ Hữu Tiệp (phường Ngọc Hà, Ba Đình) như một chứng nhân lịch sử sống động; và phố Khâm Thiên có bia tưởng niệm 287 nạn nhân đêm 26/12/1972.