Đúng 11h ngày 08/8/1959 bộ đội ta đã cắm lá cờ trên đảo, khẳng định chủ quyền bất khả xâm phạm của Tổ quốc. Từ đó ngày 8/8 hàng năm trở thành ngày truyền thống của lực lượng vũ trang huyện đảo Cồn Cỏ.
Sau 2 ngày lực lượng vũ trang ta đặt chân lên đảo, bọn nguỵ quyền tay sai Ngô Đình Diệm đưa tàu chiến uy hiếp, nhưng trước sự chống trả kiên quyết của bộ đội ta buộc chúng phải rút lui.
Bị thất bại trong chiến lược chiến tranh Cục bộ ở miền Nam (1965 - 1968) đế quốc Mỹ liều lĩnh phát động chiến tranh phá hoại đánh phá miền Bắc bằng Không quân và Hải quân; đảo Cồn Cỏ là một trong những mục tiêu kẻ địch quyết tâm đánh chiếm và tiêu diệt đầu tiên.
Ngày 08/8/1964, địch cho nhiều tốp máy bay từ hướng Đông Nam bay lướt qua đảo rồi quay về. Đến trưa cùng ngày 02 chiếc F100 từ hướng Tây Nam bất ngờ tấn công đảo, phòng không của ta nổ súng giáng trả, chiếc đi đầu trúng đạn rơi cách đảo 13km. Đây là chiếc máy bay đầu tiên của Mỹ bị ta bắn rơi ở Cồn Cỏ.
Ngày 28/08/1964, Khu ủy Vĩnh Linh mở Hội nghị quán triệt Nghị quyết Hội nghị lần thứ chín Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa III về tình hình, nhiệm vụ mới. Cả Vĩnh Linh và Cồn Cỏ sống trong không khí sục sôi cách mạng, quyết tâm chiến đấu bảo vệ mảnh đất tiền tiêu của Tổ quốc thân yêu. 
Đêm 25/11/1964, địch cho nhiều tàu chiến tiến sát đảo, bắn phá bằng đủ các cỡ đạn 105 ly. 81 ly, 75 ly, 20 ly,... Trận đánh này địch không gây cho ta thiệt hại nào đáng kể, trái lại nó giúp cho đảo nhiều kinh nghiệm trong công tác bố phòng và công tác chính trị tư tưởng. 
Sáng ngày 11/03/1965, đảo bước vào một cuộc chiến đấu mới. Đây là trận thử lửa ác liệt đầu tiên, Cồn Cỏ đã lập được nhiều chiến công xuất sắc. Địch dùng 20 máy bay AD6, 14 chiếc F100 và F4H, do một đại tá không quân Mỹ trực tiếp chỉ huy. Một chiếc F105 ngay lập tức bị bắn hạ bởi khẩu đội của Nguyễn Văn Hiếu. Trận địa Đồi Si chìm trong lửa đạn. Một chiếc AD6 nữa bị bắn rơi, cách đảo chưa đầy một hải lý. Sau một loạt đạn 12,7 ly, chiếc AD6 tiếp theo trúng đạn, rơi xuống biển.

Trong lúc máy bay đang đánh phá, bom rơi dày đặc nhưng chiến sỹ Thái Văn A vẫn đứng trên chòi cao theo dõi từng chiếc máy bay, bổ nhào hướng nào, bom rơi ở đâu để báo cho đồng đội. Chỉ huy đơn vị cho Thái Văn A xuống đài quan sát, nhưng anh vẫn không rời vị trí. Đứng ở đài quan sát, cánh tay bị tê dại, bị thương, đồng chí phải víu vào thanh gỗ để khỏi ngã. Thái Văn A rút mảnh đạn găm ở chân, tiếp tục làm nhiệm vụ. Khi trận chiến đấu kết thúc, vết thương ra nhiều máu, Thái Văn A ngất đi, nhưng anh đã góp phần cùng đơn vị bắn rơi hai máy bay và bắn bị thương nhiều chiếc khác; anh được kết nạp Đảng ngay tại trận địa.
Xạ thủ súng máy Đinh Ngọc Vân đang chiến đấu thì một quả rốc két bắn trúng trận địa, Anh bị thương nặng phải phẫu thuật cắt cụt hai chân. Đồng chí nói với chỉ huy “Chắc tôi sẽ hy sinh, không cùng chiến đấu tới cùng cho đảo. Song tôi muốn hy sinh với danh hiệu của người đảng viên Cồn Cỏ”. Nguyện vọng của Đinh Ngọc Vân nhanh chóng được đề bạt lên cấp trên. Xét quá trình sống và chiến đấu, anh có nhiều chiến công… xứng đáng là đảng viên, Chi bộ đảo quyết định kết nạp anh vào Đảng ngay tại trận địa. Đinh Ngọc Vân trút hơi thở cuối cùng trong niềm vui toại nguyện.
Trong 2 ngày liên tiếp, ngày 03 - 04/04/1965 trung đội 14,5 ly của Nguyễn Hữu Tứ đã bắn rơi 7 máy bay. Đây là trận thắng giòn giã, hiệu suất chiến đấu cao nhất của đảo Cồn Cỏ.
Liên tiếp từ ngày 06 - 13/05/1965, Cồn Cỏ bị máy bay và tàu chiến Mỹ vây ráp. Hơn một chục chiếc tàu chiến các loại, từ các hướng thay nhau bắn phá đảo. Trên trời các loại máy bay hạng nặng như B57, AD6 tiếp tục trút bom đạn xuống các trận địa.
Ngày 11/05/1965, 2 chiếc AD6 từ hướng Đông Nam xuất hiện, chúng bổ nhào ném một loạt bom xuống gần trận địa. Các khẩu đội cảnh giác kịp thời nổ súng đánh chặn. 15 giờ 10 phút, một tốp 4 chiếc AD6 từ hướng Tây Bắc bay vào. Lợi dụng ánh sáng mặt trời, chúng thay nhau bổ nhào đánh phá. Chỉ huy đảo phát kèn lệnh, 4 khẩu 14,5 ly nổ súng đánh trả. Chiếc đi đầu bị trúng đạn, rơi cách đảo 3km. Bên ta hai chiến sỹ bị thương. 15 phút sau, 4 chiếc phản lực A4H khác từ hướng Tây Nam bất ngờ đánh tập hậu. Từ đài quan sát Thái Văn A đã kịp thời phát hiện âm mưu của địch, Anh báo cho đồng đội hướng máy bay bổ nhào để chủ động đón đánh. Một chiếc A4H trúng đạn, lảo đảo bay về hướng Nam. Ngày 29/05/1965, 2 chiếc AD6 từ hướng Đông Nam bay vào. Lần bổ nhào thứ nhất chúng ném hai loạt bom không trúng trận địa. Trung đội trưởng Nguyễn Hữu Tứ đợi quan trắc Hoàn báo cự ly và cho lệnh nổ súng, 2 chiếc máy bay vội trút hết loạt bom xuống đảo. Một chiếc AD6 trúng đạn bay về hướng Nam. 
Tính đến ngày 11/06/1965, Trung đội trưởng Nguyễn Hữu Tứ đã trực tiếp chỉ huy đánh 38 trận, bắn rơi 14 máy bay và bắn hỏng một chiếc khác. Riêng trận đánh ngày 11/06/1965, anh chỉ huy bắn rơi hai máy bay, bắn hỏng một chiếc khác, Anh được tặng thưởng huân chương chiến công hạng nhất. Nguyễn Hữu Tứ là một cán bộ dũng cảm, linh hoạt được đồng đội tin yêu và nể phục. Không riêng gì Nguyễn Hữu Tứ, Cồn Cỏ còn có nhiều tấm gương quả cảm khác như Trần Hưởng, Lê Đình Chủng, Nguyễn Huy Nhân, Nguyễn Xuân Tự, Vũ Trọng Xa, Nguyễn Văn Tường, Đinh Văn Kỷ, Nguyễn Văn Sáu, Vũ Đức Duệ, Nguyễn Khảm, Nguyễn Văn Trịnh, Lê Văn Thắng, Nguyễn Văn Sinh, Nguyễn Văn Khánh, Dương Đình Chỉnh, Lê Ngọc Hoàn...
Ngày 20/06/1965, mọi yêu cầu chuẩn bị cho trận đánh tàu chiến Mỹ đã hoàn tất. Vào lúc 18 giờ ta chiếm lĩnh xong trận địa thì phát hiện ba tàu địch từ Cửa Việt  dàn hàng ngang tiến về đảo, cách khoảng 1km chúng bắn pháo vào đảo. Trận địa của ta hướng vào chiếc tàu giữa đội hình địch nổ súng, chiếc tàu địch bốc cháy. Hai chiếc còn lại quay mũi, rút chạy về hướng Cửa Việt.

Trong năm 1965, Cồn Cỏ đã đánh 91 trận, bắn rơi 21 máy bay. 10 chiếc rơi cách đảo 3 - 5km. Trong đó có các loại máy bay hiện đại F105, F4, B57, AD6,... đánh chìm và cháy 2 tàu chiến. Trong đợt tổng kết cuối năm 1965, Cồn Cỏ có 29 chiến sỹ thi đua cấp ưu tú, 70% chiến sỹ giỏi. Tập thể đảo được thưởng 4 Huân, Huy chương chiến công từ hạng 1 đến hạng 3.
Trong năm 1966, lực lượng vũ trang trên đảo vừa chiến đấu bắn cháy 02 máy bay và 01 tàu chiến của địch; đồng thời đã tổ chức đào địa đạo từ mũi Con Hổ - Bến Tranh cấu tạo chiều ngang 1,3m, chiều cao 1,7 - 1,8m. Tổng cộng dài 200m. 
Đảng ủy họp đánh giá một ngày chiến thắng giòn giã, hiệu suất chiến đấu cao, bảo đảm an toàn tuyệt đối. Chủ trương chia khu vực tác chiến của đảo trưởng Trần Văn Thà, đưa bộ đội ra sát mép nước và vận dụng chiến thuật phục kích máy bay, tàu chiến một lần nữa khẳng định kế hoạch phòng thủ đảo của Ban Chỉ huy đảo là hoàn toàn đúng đắn. Cùng với tập thể đảo Cồn Cỏ được tuyên dương Anh hùng, đợt 1 có 4 chiến sỹ của đảo được tuyên dương Anh hùng vì lập được nhiều thành tích đặc biệt xuất sắc.
Năm 1967, LLVT Cồn Cỏ đã bắn rơi 3 máy bay địch; Để đảm bảo công tác chiến đấu được thường xuyên và lâu dài, phát hiện địch từ xa, đảo đã chia ra từng ca kíp, trực ban, luôn phiên canh gác. Tổ chức công sự theo chốt trung gian: tiền duyên, trung gian, tiền duyên (chốt chỉ huy). Trong bom đạn ác liệt, các chiến sỹ vẫn tranh thủ tăng gia sản xuất, trồng được hàng chục tấn rau bí các loại, tham gia đánh cá biển cải thiện đời sống.
Ngày 31/05/1968, không quân và hải quân Mỹ đánh phá đảo 8 giờ liền. Bộ đội Cồn Cỏ bám trụ kiên cường, chiến đấu dũng cảm bắn rơi 4 máy bay. Ngày 16/10/1968, Cồn Cỏ lại lập chiến công hiển hách. Trong một giờ chiến đấu, bắn rơi 3 máy bay giặc Mỹ. Nhận được tin vui, ngày 20/10/1968, Bác Hồ lại gửi thư khen cán bộ, chiến sỹ Cồn Cỏ.
Với những thành tích xuất sắc trong tháo giỡ các loại bom, hai chiến sỹ Cao Tất Đắc và Cao Văn Khang được phong tặng Anh hùng Lực lượng vũ trang nhân dân. Nhờ có tính cần cù, tỉ mỉ, thận trọng chỉ trong vòng 3 tháng  tại Cồn Cỏ Cao Tất Đắc đã phá được 5 quả bom tạ, 80 quả bom bi, hàng trăm quả rốc két. Tổ bom mìn đã tìm ra cách phá bom hiệu quả để phổ biến cho đảo.
Trạm phẫu thuật chỉ có một bác sỹ và hai y sĩ. Khi chiến sỹ bị thương phải đưa ngay đến trạm phẫu thuật; Hầm không có điện, bác sỹ rạch dao mổ dưới ánh sáng của đèn pin. Chiến sỹ Nga bị thương nặng; không có thuốc gây tê, Nga nghiến răng chịu đựng. Ca mổ thành công. Y sỹ Thành Lê được đồng đội phong làm bác sỹ trước khi anh vào trường học Đại học y dược.
Đảo trưởng Trần Văn Thà được mệnh danh là “Con cọp đen” ở Cồn Cỏ thực sự là linh hồn của đảo. Đồng chí đã trải qua 940 ngày kiên cường bám trụ vào những năm ác liệt nhất của đảo (1965 - 1967), chỉ huy bộ đội chiến đấu, giữ vững thế trận tiền tiêu. 
Trong 3 năm 1967 - 1969, Cồn Cỏ bắn rơi thêm 17 máy bay, bắn cháy một tuần dương hạm, 3 khu trục, 2 tàu vớt lôi, 1 tàu đổ bộ, 8 xuồng máy.
Về xây dựng công trình đã làm được: 44 hầm ngủ kết hợp chiến đấu, 83 hố chiến đấu cá nhân, 23 trận địa hỏa lực, 8.280m giao thông hào, 200m địa đạo, 3 lô cốt xi măng, 12 vọng gác, 52 kho đạn, lương thực, 525m3 đá.
Những năm 1970 - 1973, do đấu tranh của ta ở Hội nghị Pari nên đế quốc Mỹ đánh phá Vĩnh Linh và Cồn Cỏ có giảm về tần suất nhưng không kém phần ác liệt. Trong hai ngày 12 và 13/04/1972, Mỹ cho nhiều đợt máy bay F4H và F105 bắn phá đảo. Bộ đội ta nổ súng kịp thời bắn trả, bắn bị thương một F4H. Ta có 3 chiến sỹ hy sinh Lê Phước Hội (Vĩnh Long - Vĩnh Linh), Nguyễn Như Ái (Vĩnh Tân - Vĩnh Linh) và Lê Thanh Doãn (Văn Hóa - Tuyên Hóa); đây là những chiến sỹ cuối cùng hy sinh tại đảo.
Ngày 27/06/1972, lợi dụng khói bom B52 dày đặc từ đất liền ra đảo; địch cho 20 tàu chiến, từ nhiều hướng tiến vào vùng biển định gây tội ác. Trên trời 10 máy bay lên thẳng bay theo đoàn tàu. Các trận địa pháo trên đảo bất ngờ bắn mạnh vào đoàn tàu. Bằng những đường đạn chính xác, Cồn Cỏ đã bắn trọng thương một tàu chiến Mỹ, buộc chúng phải dìu tàu về Cửa Việt.
Ngày 27/01/1973, Hiệp định Pari về chấm dứt chiến tranh, lập lại hòa bình được ký kết. Trong niềm phấn khởi đó, cán bộ chiến sỹ đảo Cồn Cỏ vẫn không quên nhiệm vụ cảnh giác, sẵn sàng chiến đấu.

Sau hoà bình lập lại, căn cứ yêu cầu nhiệm vụ mới, cán bộ chiến sỹ đảo Cồn Cỏ một mặt khẩn trương khắc phục hậu quả chiến tranh, củng cố hầm hào công sự chiến đấu; tổ chức rút kinh nghiệm, tăng cường công tác huấn luyện nâng cao trình độ kỹ thuật và khả năng tác chiến, bổ sung và xây dựng các phương án phòng thủ... Mặt khác tập trung làm tốt công tác giáo dục chính trị tư tưởng, giáo dục truyền thống, công tác hậu phương và chính sách quân đội sau chiến tranh; đẩy mạnh tăng gia sản xuất, nâng cao đời sống đảm bảo sức khỏe cho cán bộ chiến sỹ. Nhờ tích cực và chủ động triển khai các giải pháp đồng bộ nên Cồn Cỏ đã hoàn thành tốt nhiệm vụ. Bộ mặt Cồn Cỏ đã có những nét chuyển biến, khởi sắc đáng kể. Cuộc sống và công tác chiến sỹ từng bước đi dần vào ổn định.