Le 21 juillet, le Vercors aborde la bataille avec 10 compagnies de combat, un groupe d'escadrons et des unités d'appui et de service, soit en théorie près de 4 000 hommes incorporés dont 169 officiers et 317 sous-officiers.
Mais ces chiffres ne reflètent pas entièrement la valeur au combat des unités. Si 500 d'entre les maquisards peuvent être considérés comme des combattants chevronnés, le niveau de la formation militaire des autres est très incomplet, malgré l'ardeur qui les anime.
Quant à l'armement, ce n'est pratiquement que de l'armement individuel, quelques bazookas, des mitrailleuses légères et FM, pas d'armes lourdes à tir tendu et ni mortiers, ni artillerie. Par ailleurs, un quart des maquisards n'est pas armé.

En face, l'opération est commandée par le général Pflaum, commandant la 157ème division de réserve (celle qui a agit contre les Glières en mars).
Il dispose d'environ 8 000 hommes, soit 9 bataillons d'infanterie (dont 4 bataillons de chasseurs de montagne), 2 compagnies de parachutistes, 2 batteries d'artillerie et des éléments de sécurité (dont police et Feldgendarmerie) et bien entendu de l'appui de l'aviation.

Son dispositif est articulé ainsi :
• Un groupement est : ayant pour mission, à partir de la vallée du Drac, de franchir les « Pas », sur la muraille est du plateau, puis d'agir plein ouest en direction de Saint-Agnan ;
• Un groupement nord : agissant sur l'axe Lans, Villard-de-Lans, la Chapelle-en-Vercors ;
• Un élément aéroporté : atterrissant à Vassieux-en-Vercors, orienté ensuite vers le nord en direction de Saint-Martin-en-Vercors ;
• Les éléments non engagés assurent le bouclage et l'isolement du Vercors.

Au nord, l'attaque se déploie, les Allemands occupent Villard-de-Lans puis, par le col de la Croix Perrin, atteignent Autrans vers 17 heures. En fin de journée, la quasi-totalité du canton de Villard-de-Lans est aux mains de l'ennemi.
À l'est, les chasseurs de montagne s'emparent simultanément en fin d'après-midi de tous les Pas sauf du Pas de la Ville au nord et du Pas de l'Aiguille au sud.

Vers 9h30, une vingtaine de planeurs, appuyés par des chasseurs et des bombardiers, atterrissent sur le terrain de Vassieux-en-Vercors que les maquisards sont en train d'aménager en prévision de l'arrivée des parachutistes ou aéroportés alliés tant attendus. La riposte s'organise rapidement et les Allemands se retranchent dans Vassieux.

À l'est, seul le Pas de l'Aiguille résiste. Tous les autres Pas sont conquis. L'ennemi se réoriente pour poursuivre vers l'ouest. Au nord, l'ennemi est contenu par la résistance héroïque du lieutenant Chabal, au Belvédère de Valchevrière.
À Vassieux, malgré l'appui aérien, les parachutistes allemands, n'arrivent pas à déboucher du village.

À l'est, le Pas de l'Aiguille tient encore, mais les unités qui se sont emparées des autres Pas se dirigent vers Saint-Agnan et la Chapelle-en-Vercors.
Au nord, à 15 heures, le Belvédère de Valchevrière est pris par l'ennemi et la route de Saint-Martin et de la Chapelle est ouverte.
En fin de journée, les Allemands réussissent à se dégager de Vassieux, avec l'aide des renforts arrivés par planeurs.

Le 23, aux alentours de 16 heures, le commandement donne l'ordre de dispersion. Cette décision avait été concertée entre les chefs civils et militaires, de préférence à la sortie en force ou par petits groupes préconisée par certains. C'est sans aucun doute la décision qu'il fallait prendre. Les survivants des combats se regrouperont et prendront part à la libération de Grenoble.
Dans la nuit du 21 au 22, Chavant adresse un message pathétique à Alger, traitant ceux qui n'ont pas pris la mesure de leur situation de « criminels et de lâches ».
Le 23, Huet adresse à son tour un message à Londres où il exprime, en termes plus nuancés, la colère et le désespoir des combattants du Vercors : « Tous ont fait courageusement leur devoir dans une lutte désespérée et portent la tristesse d'avoir dû céder sous le nombre et d'avoir été abandonnés seuls au moment du combat ».

Pendant les combats et jusqu'à leur départ du Vercors, le 8 août, les troupes allemandes se livrent à toutes sortes d'exactions : massacres, exécutions sommaires, incendies des habitations, faisant plusieurs centaines de victimes y compris dans la population et laissant beaucoup de villages en ruines.
Le summum est atteint à Vassieux, incendié et la population massacrée et dont 41 habitants sont déportés, et à la grotte de la Luire où sont exécutés les blessés et le personnel médical.
Ces actes, en violation flagrante des lois de la guerre et de l'humanité, sont l'ouvre non seulement de quelques éléments allogènes de l'armée allemande, mais aussi des unités régulières, obéissant aux consignes données par le commandement suprême de la Wehrmacht sur la conduite à tenir vis-à-vis des résistants et de la population. En définitive, le Vercors aura couté 639 tués aux combattants et 201 aux civils. C'est le plus lourd holocauste supporté par un maquis français.

À Alger, pendant toute cette période, les tentatives de mettre sur pied une opération pour soutenir les combats et si possible envoyer des parachutistes sur place se heurtent au fait que cela n'a jamais été planifié et que les Français ne disposent pas des moyens qui leur auraient permis de le faire seuls, ils sont tous sous commandement allié. Malgré les avertissements du colonel Zeller, chef des FFI du sud-est, et l'activité de Fernand Grenier, Commissaire communiste à l'Air du Gouvernement provisoire d'Alger et du général de l'Armée de l'Air Cochet, les obstacles de tous ordres et le désordre qui règne à Alger, font échouer ces tentatives.