Quân Giải phóng áp dụng nguyên tắc không bắn máy bay trinh sát và chờ xem điều gì sẽ xảy ra tiếp theo. Lần lượt ba chiếc trực thăng chiến đấu xuất hiện, bắt đầu bắn súng máy và rốc két. Chờ trực thăng tới gần, Quân Giải phóng khai hỏa hàng loạt súng tự động và súng trường từ kênh tưới. Bằng cách đánh phục kích này, đến trưa họ loại khỏi vòng chiến đấu 5 chiếc trực thăng.

Các toán quân của Sư đoàn 7 Việt Nam Cộng hòa tiến vào ấp từ phía bắc đã không quay lại để cứu đại đội dự phòng và các tổ lái trực thăng. Đến 12 giờ 15, cuối cùng tiểu đoàn Sài Gòn đến Tân Thới. Rồi trước 13 giờ những chiếc xe thiết giáp M113 tiến lại dần dần trên đồng ruộng. Quân Giải phóng không có vũ khí chống tăng nên không thể chiến đấu chống xe bọc thép M-113 có hiệu quả. Để truyền cho các toán quân can đảm đứng lên chống xe bọc thép với vũ khí nhẹ và lựu đạn, các chỉ huy của Quân Giải phóng đã lên một bản danh sách những điểm yếu của xe bọc thép: người bắn súng máy trên đỉnh đứng sau giá súng để lộ từ thắt lưng trở lên, hoặc có thể bắn trúng lái xe qua khe ngắm, những chiến sĩ dũng cảm thì có thể tiếp cận rồi ném lựu đạn lên nóc xe. Các chỉ huy cũng đã truyền thụ cho chiến sĩ tập trung bắn vào M113 như đã bắn máy bay. Mỗi tiểu đội hoặc trung đội phải chọn chiếc xe gần nhất rồi bắn tập trung vào đấy, không để hỏa lực bị phân tán.

Sau một ngày chiến đấu, với 5 đợt tấn công bằng những phương pháp tác chiến "tân kì" nhất như thiết xa vận, trực thăng vận, bủa lưới phóng lao... từ nhiều hướng, kể cả đổ bộ đường không bằng nhảy dù, song quân đội VNCH đều bị đẩy lùi. Kết quả trong trận này quân VNCH có 83 người thiệt mạng trên tổng số gần 200 lính thương vong, 3 cố vấn Mỹ bị giết và 16 cố vấn, phi công Mỹ bị thương. Phía Quân Giải phóng có 18 người chết.

Lúc 22 giờ cùng ngày, quân Giải phóng theo hàng dọc rút về hướng căn cứ Đồng Tháp Mười. Dân quân địa phương và nông dân Ấp Bắc, Tân Thới đã hỗ trợ họ trong suốt cuộc chiến cũng đi theo một con đường khác về chỗ trú ẩn trong những rừng dừa lân cận. Đi đầu là các toán quân chủ lực của Tiểu đoàn 261 đã chống cự ở Ấp Bắc. Quân địa phương của Tiểu đoàn 514 đi đoạn hậu với một trung đội bảo vệ phía sau. Hàng quân tiếp tục đi đến một chỗ lội qua sông, tiến lên không bị phát hiện và về đến trại đóng quân ở xã Hưng Thạnh (huyện Châu Thành) lúc 7 giờ sáng.

Nhà báo Neil Sheehan viết: "Họ đã làm được nhiều hơn việc thắng một trận, mang về một thắng lợi theo kiểu Việt Nam cũng như tổ tiên họ đã làm từ nhiều thế kỷ. Họ đã chiến thắng quân địch mạnh hơn họ... 350 "Việt cộng" đã giữ vững trận địa và hạ nhục một quân đội hiện đại với quân số lớn gấp bốn lần, trang bị xe bọc thép, trọng pháo, trực thăng và máy bay ném bom. Để đối chọi, vũ khí mạnh nhất của họ là một khẩu súng cối nhỏ, cỡ 60 ly, được xem là vô dụng. Họ có 18 người chết và 39 bị thương, thiệt hại tương đối nhẹ trong cuộc chiến mà người Mỹ và những người Việt Nam do họ bảo vệ đã dội vào nhiều nghìn loạt đạn súng thường và súng máy hạng nặng, 600 đạn súng cối, napalm và bom cùng những quà tặng khác chở trên 13 máy bay và năm trực thăng chiến đấu. Riêng những chiếc Huey đã trút xuống hàng cây Ấp Bắc 8400 viên đạn súng máy và một trăm rốc két. Với vũ khí hạng nhẹ, Việt cộng đã gây gấp bốn lần thiệt hại cho họ, giết được khoảng 80 lính Sài Gòn, làm bị thương hơn 100; ba người Mỹ chết và 8 người khác bị thương, 5 chiếc trực thăng bị bắn hạ. Việt cộng gây ra những tổn thất ấy mà tiết kiệm đạn dược. Từ những loạt đạn đầu bắn nhau với quân bảo an cho đến những loạt cuối cùng với lính dù, họ chỉ dùng khoảng 5000 đạn súng thường và súng máy."

Cố vấn Mỹ John Paul Vann thì nhận xét sau trận đánh: "Họ [quân Giải phóng] thật dũng cảm, họ đã cho chúng ta một hình ảnh đẹp về bản thân họ ngày hôm nay".

Thất bại của Mĩ và quân lực Việt Nam Cộng hòa trong trận này không chỉ là một thất bại thuần tuý về chiến thuật mà còn mang ý nghĩa chiến lược, đã làm rung chuyển giới báo chí Mĩ, làm cho nhân dân Mĩ quan tâm hơn đến cuộc chiến tranh Việt Nam. Chiến thắng của QGP tại Ấp Bắc đã đánh dấu sự thất bại của chiến lược Chiến tranh đặc biệt của Mỹ tại miền Nam Việt Nam.