Приказы, противоречащие друг другу и переданные с двух командных пунктов Северного Вьетнама, создали у американских операторов перехвата ощущение того, что северовьетнамцы потеряли контроль над ситуацией. В этот момент северовьетнамские катера двигались на скорости 45 узлов, имея преимущество в скорости в 25 узлов над «Мэддоксом». Последний, обнаружив до этого излучение РЛС «Скин Хед», увеличил скорость с 11 до 25 узлов, вынуждая противника затратить еще 30 минут хода для выхода на позицию атаки. На «Мэддоксе» к 14:30 местного времени все расчеты заняли свои места согласно боевому расписанию. Еще через 10 минут командир «Мэддокса» запросил воздушную поддержку с авианосца «Тикондерога», который в это время находился от него на дальности 280 миль к юго-востоку. Четверка истребителей «Круссйдер» «Р-8Е», находившаяся в состоянии «дежурство в воздухе», отправилась на помощь «Мэддоксу»; в тот же район поспешил и эсминец «Тернер Джой» («DD-951»). В 15:05 по местному времени «Мэддокс» открыл огонь. Это не остановило катера, через десять минут они приблизились, чтобы занять позицию для атаки, и попали под огонь «Мэддокса» и штурмовку «Крусейдеров». Патрульный катер «Т-339» затонул, четыре человека из его команды были убиты и шестеро ранены, два других катера, получив серьезные повреждения, медленно отходили.

Узнав об атаке, президент Джонсон постарался преуменьшить значение данного инцидента. Он предупредил Ханой, что «новые неспровоцированные действия приведут к печальным результатам». Вашингтон недооценивал противодействие его тайным операциям против побережья Северного Вьетнама, и министр обороны Макнамара посчитал этот инцидент «просчетом» или «импульсивным актом местного командования» северных вьетнамцев. Подразделения радиоразведки оставались в состоянии боевой готовности, и основная нагрузка легла на подразделение ВМС на Филиппинах и радиоразведчиков сухопутных войск и морской пехоты в Фу Бай.

Несмотря на напряженную обстановку на побережье Северного Вьетнама, Соединенные Штаты решили предпринять очередную тайную операцию в ночь с 3 на 4 августа, которая должна была проводиться одновременно с усиленным патрулированием по программе ДЕСОТО. Как и в первый раз, четыре патрульных катера класса «Нейсти» обстреляли позицию РЛС в Вши» Сон, а эсминцам «Мэддокс» и «Тернер Джой» было приказано не появляться в этом районе. Они отправились к острову Хон Me. Северные вьетнамцы тем временем пытались поднять свои катера, пропавшие в ходе стычки 135-й эскадры с американцами; а патрульный катер Т-142 (класс «Суатоу») успел занять позицию севернее двух американских эсминцев и начал докладывать об их перемещениях. На этом этапе станция радиоразведки в Фу Бай ошибочно приняла действия северных вьетнамцев по поиску и спасению как очередную возможную атаку. В 18:15 станция Фу Бай передала предупреждение «о возможной морской операции ДРВ (Демократической Республики Вьетнам) против патруля ДЕСОТО сегодня, 4 августа, вечером». Еще через сорок минут станция Фу Бай сообщила о «безусловных планах морской операции ДРВ против, возможно, патруля ДЕСОТО. После этого о неминуемой атаке доложили командующему вооруженными силами США в зоне Тихого океана и двум эсминцам («Мэддокс» и «Тернер Джой») было приказано отходить на юго-восток на скорости 20 узлов. Катер Т-146 сообщил в Хайфон, что буксиру «Бак Дан» следует избегать встречи с американскими кораблями, действующими по программе ДЕСОТО. Однако аналитики радиоразведки неправильно перевели предложение с вьетнамского языка, и оно стало звучать так: Т-146 передать топливо «333», чтобы он смог опять принять участие в действиях». Спасательная операция северных вьетнамцев не была понята американскими станциями радиоразведки.

Через двадцать минут после первого предупреждения «Мэддокс» доложил о двух надводных и трех воздушных целях, находящихся от нет в 40 милях к северо-востоку, а в 21:08 доложил о новых неустойчивых радиолокационных засечках всего в 15 милях от него к юго-востоку, которые быстро приближались. На «Мэддоксе» посчитали эти цели торпедными катерами, идущими в тесном строю. Через 28 минут «Мэддокс» обнаружил одиночную цель, приближающуюся к нему па скорости 40 узлов; о движущейся цели доложил и «Тернер Джой». Через три минуты американцам показалось, что объект, находившийся на дистанции 6200 ярдов (около 5700 м) от «Мэддокса», сделал резкий разворот. Дальность для стрельбы торпедой казалась чересчур большой, однако оператор гидролокатора на «Мэддоксе» услышал звук торпеды с работающим двигателем и доложил в Центр боевой информации «Мэддокса», что эсминец атакован. Оба эсминца начали вести беглый огонь по целям, засеченным их РЛС, и цели вскоре исчезли. «Мэддокс» и «Тернер Джой» сделали вывод, что потоплено два катера из тех, которые, предположительно, их атаковали. Осветительные снаряды эсминцев калибра пять дюймов (127 мм) с обоих эсминцев осветили район, в который прибыли самолеты поддержки с авианосца «Тикондерога». Самолеты прилетели напрасно, никаких катеров они не обнаружили.

Д. Стокдейл, бывший летчик морской авиации и участник тех событий, у которого «было лучшее место в «театре», чтобы наблюдать катера», ничего не видел. «Не было катеров, не было кильватерных струй от катеров, не было рикошетов от попадания снарядов в катера, не было попаданий в катера, не было кильватерных струй от торпед — ничего не было, кроме темного моря и вспышек от стрельбы американской корабельной артиллерии». Прибор управления огнем артиллерии на «Мэддоксе» в реальности не видел ни одной цели. Позднее было установлено, что четкий звук двигающейся на высокой скорости торпеды был на самом деле вызван отражением рулями эсминцев турбулентной струи от их собственных винтов. Командующий эскадры кэптен Херрик, находившийся на борту «Тернер Джой», в своем рапорте о стычке высказал такие сомнения: «Все произошедшее оставляет много вопросов, за исключением очевидной первоначальной попытки устроить засаду... ни один объект никогда не был опознан как собственно катер». Доклад с авианосца «Тикондерога» также не внес ясности: «Не наблюдается никаких судов или кильватерных струй, кроме как от «Тернер Джой» и «Мэддокса», различимых с дистанции 2000—3000 ярдов».

В Вашингтоне данные радиоразведки о неминуемой атаке заставили министра обороны Макнамару позвонить президенту в 09:25 утра. Через сорок пять минут сообщения с эсминцев о том, что они на самом деле атакованы, послужили как бы подтверждением первичной информации. Через четыре часа президент одобрил нанесение ответного удара, который был назначен на пять часов утра по местному времени пятого августа. Последующие сомнительные доклады вынудили президента искать подтверждающие материалы. Поступил перевод еще одного сообщения, перехваченного радиоразведкой, которое можно было классифицировать как доклад северных вьетнамцев о проведенной операции: «Мы вели огонь по двум самолетам противника, и повредили, по крайней мере, один самолет. Мы потеряли двух товарищей, однако у всех боевой настрой и осознание своего долга». За этим переводом последовало то, что можно назвать второй частью сообщения: «Они видели собственными глазами, как самолеты противника падают в море. Возможно, корабль противника поврежден. Доложите эту информацию в отмобилизованную часть».