ב-3 באפריל שכנע מטה הכוחות המשולבים את הנשיא לינדון ג'ונסון ואת מקנמארה לשגר מתקפה של ארבעה שבועות על קווי האספקה של צפון וייטנאם, שנועדה לבודד את המדינה ממקורות האספקה שלה בסין ובברית המועצות. כשליש מהיבוא של צפון וייטנאם עבר במסילת הברזל הצפון-מזרחית מסין ושני השלישים האחרים הגיעו בדרך הים להייפונג ולנמלים נוספים. בפעם הראשונה במערכה, נבחרו מטרות על פי חשיבותן הצבאית ולא על פי ההשלכות הפסיכולוגיות של תקיפתן. במהלך ארבעה שבועות אלה, הושמדו 26 גשרים ו-7 מעבורות. מטרות נוספות כללו את מערכת המכ"ם הנרחבת של צפון וייטנאם, מחנות צבא ומצבורי תחמושת.
בכל אופן, רצועת הגבול שבדרומה של צפון וייטנאם נותרה מוקד הפעילות וסך כל התקיפות בה עלו מ-3,600 באפריל ל-4,000 במאי. בהדרגה בוצע מעבר מתקיפת מטרות מוגדרות מראש ל"משימות סיורים חמושות", שבהן כוחות אוויריים קטנים סיירו לאורך כבישים, מסילות ברזל ונהרות, כדי לאתר מטרות מזדמנות. בתחילה בוצעו שתי משימות כאלה בשבוע ובסוף 1965 עלתה תדירותן ל-200 משימות שבועיות. בסופו של דבר, היה שיעורן של משימות הסיור החמושות 75% מכלל משימות ההפצצה, בין השאר בשל העובדה שמשימות תקיפת מטרות מוגדרות מראש ותהליך אישורן היו מסובכות ומסורבלות.
שינוי סדרי העדיפויות ותקיפת מצבורי דלקים.
אם מטרתו של מבצע רעם מתגלגל הייתה לאלץ את האנוי לחדול ממעורבותה הצבאית בלחימה בדרום וייטנאם, לא נראה היה שמטרה זו הושגה. ב-8 באפריל, בתגובה לקריאות לפתיחת משא ומתן לשלום, הצהיר ראש ממשלת צפון וייטנאם, פם ון דונג, שהמשא ומתן יוכל להתבסס על התנאים הבאים: הפסקה מוחלטת של ההפצצות, הוצאת כל הכוחות האמריקאים מדרום וייטנאם, הכרה של ממשלת סייגון בדרישות הווייטקונג והסכמה שאיחודה מחדש של וייטנאם תבוצע על ידי הווייטנאמים עצמם. כדי לאיים על האמריקאים, ביצע חיל האוויר של צפון וייטנאם את פעולתו הראשונה ב-3 באפריל כאשר מטוסי מיג-17 שלו תקפו מטוסים אמריקאים.
כל המתווה של המאמץ המלחמתי האמריקאי שונה ב-8 במרץ 1965, כאשר 3,500 חיילים חיל הנחתים של ארצות הברית נחתו בדננג, לכאורה כדי להגן על שדות התעופה בדרום שנועדו לשימוש במסגרת מבצע רעם מתגלגל. משימתם של כוחות הקרקע הורחבה לביצוע פעולות יבשתיות ומאותה עת ואילך המערכה האווירית הפכה להיות משנית. עד לשבוע השלישי של אפריל, נהנו הפעולות שבוצעו במסגרת מבצע רעם מתגלגל ממעמד שווה למשימות האוויריות שבוצעו בדרום. לאחר מכן, צומצם מספרן של משימות התקיפה שבוצעו כסיוע לפעילות הקרקעית בדרום או שהן בוטלו.
עד 24 בדצמבר 1965 אבדו 170 כלי טיס אמריקאים במהלך המבצע (85 של חיל האוויר, 94 של הצי ואחד של חיל הנחתים). שמונה כלי טיס של חיל האוויר של דרום וייטנאם אבדו גם הם. חיל האוויר האמריקאי ביצע 25,971 גיחות והטיל פצצות במשקל של 32,063 טונות. טייסי הצי ביצעו 28,168 גיחות והטילו 11,144 טונות של פצצות. חיל האוויר הדרום וייטנאמי ביצע 682 גיחות, אך כמות התחמושת שהוא הטיל לא ידועה.
בטיסת סיור שהתקיימה ב-5 באפריל 1966 התברר שהצפון וייטנאמים מקימים עמדות שיכלו לשמש רק לסוללות טילי קרקע-אוויר. יחד העבירו חיל האוויר והצי של ארצות הברית בקשה לוושינגטון להתיר תקיפה של אתרים אלה, אך הם נענו בסירוב, עקב העובדה שרובם של אתרים אלה היו ממוקמים באזורים עירוניים אסורים לטיסה. ב-24 ביולי, הופל מטוס F-105 ת'נדרצ'יף על ידי טיל S-75 דווינה. שלושה ימים לאחר מכן, אושרה תקיפה חד פעמית של האתרים שמהם שוגרו טילים אלה. האמריקאים נפלו למלכודת מתוחכמת כאשר התברר שאתרים אלה היו מטרות דמה שהוקפו במערכות הגנה אנטי-אוויריות אמתיות. אחד הטייסים האמריקאים תיאר את הפעולה כ"סוף העולם". שישה מבין המטוסים שהשתתפו בתקיפה הושמדו, שניים מהטייסים נהרגו, אחד הוכרז כנעדר, שניים נשבו ואחד חולץ.
ב-29 ביוני 1966 אישר הנשיא לינדון ג'ונסון לתקוף מאגרי דלק ושמנים. הפיקוד הצבאי האמריקאי דחק לבצע פעולות כאלה כבר מתחילת המבצע, בהאמינו שמניעת אספקת הדלק והשמנים מצפון וייטנאם, תגרום לפגיעה אנושה במאמץ המלחמתי שלה. בתחילה נראו התקפות אלה כמוצלחות. השמדתן של חוות מכלים ליד האנוי והייפונג גרמו ל-CIA להעריך ש-70% ממתקנים הדלק של צפון וייטנאם הושמדו במחיר של 43 כלי טיס אמריקאים. אולם פעולות אלו גרמו רק לחוסר נוחות זמנית לצפון וייטנאמים, מכיוון שבהאנוי צפו מראש שמתקני הדלק יהוו מטרה מרכזית של ההפצצות האמריקניות, ולכן הם פיזרו את רוב מאגרי הדלק והשמנים שלהם במכלים של 50 גלונים ברחבי הארץ. תקיפות מאגרי הדלק והשמנים הופסקו ב-4 בספטמבר, לאחר שהמודיעין האמריקאי הודה שלא היו שום "עדויות למחסור בדלק ובשמנים בצפון וייטנאם".
קשיים.
מבצע רעם מתגלגל חשף בעיות רבות של הכוחות הצבאיים שהשתתפו בו והחמיר בעיות נוספות. סוגיית מפתח בין-זרועית (שלא באה לידי פתרון עד 1968), הייתה בעיית הפיקוד בדרום-מזרח אסיה. דיוויזיית האוויר השנייה של חיל האוויר של ארצות הברית (שב-1 באפריל 1966 הפכה להיות חיל האוויר השביעי של ארצות הברית), הייתה אחראית לכאורה על הפעולות האוויריות בשמי צפון ודרום וייטנאם. עם זאת, היא הייתה כפופה לפיקוד הסיוע הצבאי בווייטנאם ולמפקדו, גנרל ויליאם וסטמורלנד, שנטה לראות את מוקד הבעיות שלו בדרום. לחיל האוויר השביעי/השלושה עשר, שהתמקם בתאילנד, שביצע את רוב התקיפות האוויריות בצפון וייטנאם, היה פיקוד כפול. הוא דיווח למפקדת חיל האוויר השביעי על סוגיות מבצעיות ולמפקדת חיל האוויר השלוש עשרה (ששכנה בפיליפינים) על בעיות לוגיסטיקה ומנהלה. מורכבות פיקודית זו נעשתה סבוכה אף יותר כאשר פוצל המאמץ האווירי לארבעה מרחבים מבצעיים נפרדים (בצפון וייטנאם, בדרום וייטנאם, בצפון לאוס ובדרומה).
כוח המשימה ה-77 של הצי קיבל את פקודותיו דרך הצי השביעי מפיקוד האוקיינוס השקט של ארצות הברית בהונולולו, דרך פיקוד חילות האוויר של האוקיינוס השקט (Pacific Air Forces). עקב כך, לא יכול היה הצי לשלב את פעולותיו האוויריות בצפון וייטנאם עם אלה של חיל האוויר. לגנרל ויליאם מומייר, מפקד חיל האוויר השביעי, היה הרושם שפיקוד האוקיינוס השקט ופיקוד חילות האוויר הפסיפיים שאפו לשמור לעצמם את השליטה בכלי הטיס שיצאו מהבסיסים בתאילנד. כדי לסבך את המצב עוד יותר, הפעילו שגרירי ארצות הברית בתאילנד (גרהאם מרטין) ובלאוס (ויליאם ה. סאליבן) את השפעתם שלא לצורך על החלטות מבצעיות ופיקודיות.
מבנה פיקוד מוזר זה היה מנוגד לגישת הפיקוד המאוחד של חיל האוויר, שעל פיה היה אמור מפקד אחד לשלוט ולתאם את כל הפעולה האווירית בזירת הלחימה. קיומה של שרשרת הפיקוד המורכבת, שדרכה היו אמורות לזרום כל הבקשות לפעולות אוויריות, הצביעה על מורכבותה ההולכת וגדלה של המערכה. בקשות לאישור תקיפות אוויריות יצאו מהדיוויזיה השנייה ומכוח המשימה ה-77 בווייטנאם אל פיקוד האוקיינוס השקט, שבתורו דיווח לממונה עליו, מטה הכוחות המשולבים בפנטגון. לאחר שהבקשות עובדו במחלקת המדינה וב-CIA, הן הועברו אל הבית הלבן, שם קבלו הנשיא ו"קבינט יום שלישי" שלו את ההחלטות על ההתקפות האוויריות על בסיס שבועי.
קושי נוסף שנחשף כתוצאה ממבצע רעם מתגלגל הייתה חוסר המוכנות של חיל האוויר למבצע. ייעודם של מטוסי החיל וההכשרה שטייסיו קיבלו היו לבצע פעולות אסטרטגיות כנגד ברית המועצות במסגרת מלחמה גרעינית, לא מלחמה קונבנציונלית. מבצע רעם מתגלגל חשף שנים של הזנחה בטקטיקה הקונבנציונלית והיכולות של כלי הטיס וחימושם לא התאימו למשימה שהוטלה עליהם. חיל האוויר גם מצא עצמו במבוכה מהעובדה שמוכנותו של הצי הייתה טובה יותר. ברשותו של הצי היה הדגם היחיד של מטוס קרב-הפצצה הכשיר לכל מזג אוויר שהיה במצאי של הכוחות המזוינים של ארצות הברית, ה-A-6 אינטרודר והם היו גם אחראים לפיתוחו של המקדונל דאגלס F-4 פנטום, שהפך להיות למטוס שהשימוש בו היה הנפוץ ביותר במלחמת וייטנאם.
מרגע שהחלו קרבות האוויר בשמי צפון וייטנאם, מצא עצמו חיל האוויר ביכולת לקויה. עמוד התווך של טילי הלוחמה האווירית היו ה-AIM-9 סיידוויינדר וה-AIM-7 ספארו שפותחו על ידי הצי ולא ה-AIM-4 פלקון של חיל האוויר. חיל האוויר התנגד ברציפות לקיומה של המלחמה בדרום-מזרח אסיה, מאחר שהפיקוד שלו האמין שזו סטייה מהדרך שניתן לפתור אותה עד מהרה. תחת זאת הם גרסו שהם יכולים להפנות את תשומת לבם ואת כלי הנשק היותר מתוחכמים שלהם, כנגד האיום הרציני יותר מברית המועצות. אף אחד מקציני הפיקוד הבכירים של החיל לא צפה שהמלחמה תארך כעשור.
ברשותו של חיל האוויר היה מטוס שהיה כשיר לפעולה בכל מזג אוויר, חמוש בנשק מונחה ובעל כוח הרס מדהים, ה-B-52 סטרטופורטרס. עם זאת, לא שקל כלל הממשל האמריקאי האזרחי את הכנסתם לפעולה של המפציצים הכבדים הללו, שהיו כפופים לפיקוד האוויר האסטרטגי, בהאמינו שצעד כזה עלול לגרום להסלמה בגלוי. ראש מטה חיל האוויר, ג'ון פ. מקקונל, אף התנגד לשליחת המפציצים לאזורים בצפון וייטנאם שהיו מוגנים בנשק אנטי-אווירי והגביל את פעולתם של מפציצי ה-B-52 לתקיפות חד פעמיות.