בנוסף לכל הסוגיות הללו הייתה גם המדיניות של הפנטגון לביצוע רוטציה שנתית של הכוחות בדרום-מזרח אסיה. אף על פי שצוותי האוויר הראשונים שהגיעו לזירת הלחימה היו מנוסים מאוד, הקצב ההולך וגדל והרחבת המשימות הצריכו תגבור של כוח האדם. עקב כך הוחמר בהדרגה המחסור בצוותי אוויר מנוסים. דילמה זו נעשתה מורכבת אף יותר עקב מדיניותו של חיל האוויר שהכתיבה איסור על התנדבות מרצון לסבב לחימה שני, בנוסף להשפעה של העברתם של טייסים בין סוגים שונים של כלי טיס. לעומת זאת, הצי נטה לשמור את צוותי האוויר שלו באותה יחידה לכל אורך הקריירה הצבאית שלהם, וכך לשמור על מומחיותם, אך כך גם גרם לאבדות כבדות יותר בקרב צוותים מנוסים שביצעו משימות מגוונות.
גורם בעייתי נוסף היה מזג האוויר בזירת הלחימה. משמעות זרימות המונסון הייתה שמזג האוויר הקשה על הפעולות במשך כמעט שמונה חודשים בשנה (מסוף ספטמבר ועד תחילת מאי), שבהם הגשם והערפל הסתירו את המטרות. העדרן של יכולות להפצצה בכל מזג אוויר ובלילות גרמו לביצוען של רוב הפעולות בשעות האור, ולפיכך הקלו על הצפון וייטנאמים בביצוע פעולת ההגנה האווירית שלהם.
צפון וייטנאם במהלך המבצע.
עוד לפני תחילת מבצע רעם מתגלגל העריכה המנהיגות של צפון וייטנאם שהוא עתיד לבוא. בפברואר 1965 היא הוציאה הנחיה לכוחות הצבא שלה ולאוכלוסייה "לשמור על קווי התקשורת והתחבורה ולהיות ערוכים לחורבן כללי במדינה, כולל האנוי והייפונג". ההנהגה הקומוניסטית הכריזה על "מלחמה עממית כנגד מלחמת ההרס האווירית... כל אזרח הוא חייל, כל כפר, כל רחוב, כל מפעל – הם מבצר כנגד חזית הקרב האנטי-אמריקאית". כל תושבי האנוי, למעט אלה שהיו חיוניים לפעילות השלטון, פונו ממנה אל ערי השדה. עד 1967 קטנה אוכלוסיית הבירה במחצית.
מאחר שהתמודדות אווירית עם חיל האוויר האמריקני לא באה בחשבון, החליטה הנהגת הצפון להתמקד בבניית מערכת הגנה אווירית יעילה. בתחילת המערכה, היו ברשותה של צפון וייטנאם כ-1,500 כלי נשק אנטי-אוויריים, רובם תותחים קלים בקוטר של 37 ו-57 מ"מ. בכל אופן, תוך שנה אחת, העריכו האמריקאים שהמספר גדל ליותר מ-5,000, כולל מערכות מונחות מכ"ם בקטרים של 85 ו-100 מ"מ. הערכה זו עודכנה מאוחר יותר כלפי מטה ממספר של 7,000 בראשית 1967 לפחות מ-1,000 ב-1972. ללא קשר לכך, 80% מהפלות המטוסים האמריקאים במהלך מבצע רעם מתגלגל נזקפו לזכותה של מערכת ההגנה האנטי-אווירית הצפון וייטנאמית.
את מערך ההגנה האנטי-אווירית גיבו מטוסי הקרב של הצפון וייטנאמים, שבתחילה כללו רק את מטוסי הקרב מיג-17. אף על פי שהם נחשבו למיושנים בהשוואה למטוסי הסילון האמריקאים, הפכו הצפון וייטנאמים את חולשותיהם של המטוסים שלהם לחוזקות. הם היו מהירים מספיק כדי לבצע מארבי "פגע וברח" ויכולת התמרון שלהם הייתה טובה מספיק כדי להפיל את מטוסי הווט F-8 קרוסיידר וה-F-105 ת'נדרצ'יף המתקדמים יותר, שעד מהרה פתחו טקטיקות חדשות. מטוסי המקדונל דאגלס F-4 פנטום החדשים שצוידו בטילים הפכו להיות מטוסי הקרב העיקריים של האמריקאים.
עצם ההופעה של מטוסי המיג-17 הצליח לעיתים קרובות לגרום לטייסים האמריקאים להשליך את מטעני הפצצות שלהם לים כאמצעי הגנתי. ב-1966 הצטרפו למטוסי המיג-17 מטוסי המיג-21 הסובייטים המשוכללים יותר, שהיו יריבים שקולים יותר למטוסים האמריקאים. ב-1967 כבר כלל חיל האוויר הצפון וייטנאמי 100 מטוסי קרב, שרבים מהם הוחזקו בשדות תעופה בסין, מחוץ ליכולת התקיפה של המטוסים האמריקאים.
כלכלת הצפון פוזרה למען הגנתה ומפעלים גדולים שמוקמו באזורים המאוכלסים של דלתת הנהר האדום, פוצלו למערות ולכפרים קטנים בכל רחבי הארץ. באזור החיץ בדרום שהופצץ יותר בכבדות, הועברו כפרים שלמים למכלולי מנהרות תת-קרקעיות למשך המבצע. בכל רחבי צפון וייטנאם החל להיות מחסור במזון, בעיקר באזורים העירוניים, שכן מגדלי האורז התגייסו לשירות צבאי או התנדבו לעבודות שיקום נזקי ההפצצות. כאשר הותקפה מערכת התחבורה הלאומית, שוקמו גשרים חרבים או הוחלפו במעברי עפר, מעבורות, מעברים תת-קרקעיים וגשרי סירות. המערכת הוכחה כעמידה, בנויה היטב וניתנת לשיקום בקלות.
המשאב העיקרי של צפון וייטנאם הייתה ככל הנראה אוכלוסייתה. במהלך שנת 1965, התנדבו 97,000 צפון וייטנאמים לעבוד במשרה מלאה בשיקום נזקי ההפצצות. 350,000-370,000 עובדים נוספים עבדו במשרה חלקית. כאשר הותקפו קווי האספקה, פוצלו קווי מסילות הברזל ושיירות הרכבים למרכיבים קטנים יותר, שפעלו רק בלילות. המאמץ הלוגיסטי גובה באזרחים שנעו בסירות נהר קטנות, עגלות ומריצות ושימשו כסבלים והובילו משאות לצורכי המאמץ המלחמתי. הם זכו לעידוד באמצעות סיסמאות כמו "כל קילוגרם של משא... הוא כדור בראשם של הפיראטים האמריקאים".
טילי קרקע-אוויר נגד הויילד ויזל.
ההכנסה לפעולה של טילי קרקע-אוויר העמידה את הטייסים האמריקאים בפני ברירות קשות: לגשת למטרות מגובה רב כדי להימנע מפגיעה מאש אנטי-אווירית ולהיות טרף לטילי הקרקע-אוויר, או לטוס בגבהים נמוכים כדי להימנע מפגיעת הטילים ולהוות מטרה לסוללות האנטי-אוויריות. עקב שינוי הטקטיקות והשימוש ההולך וגדל בחסימות מכ"ם, ירד במשך הזמן שיעור ההצלחות של טילי הקרקע-אוויר. מיחס של הפלה אחת ל-30 שיגורים ירד שיעור ההפלות ליחס של פחות מהפלה אחת ל-50 שיגורים. נתונים אלה העידו באופן משמעותי על היעילות של מבצע רעם מתגלגל, מאחר שסוללות טילי הקרקע-אוויר של צפון וייטנאם לא סבלו אף פעם ממחסור בטילים, ללא קשר למאמצים לפגוע בקווי האספקה שלהם.
האופן ההדרגתי של המבצע נתן להאנוי מספיק זמן להתרגל למצב. ב-1967, החזיקה צפון וייטנאם כבר 25 גדודי טילים, שכל אחד מהם הפעיל שישה משגרים, שפעלו לסירוגין מתוך 150 אתרים. בסיועה של ברית המועצות, החלו הצפון וייטנאמים להפעיל במהירות מערכות מכ"ם להתראה מוקדמת שכללו יותר מ-200 מתקנים שפוזרו ברחבי הארץ, עקבו אחר הפשיטות האוויריות של האמריקאים ופעלו בתאום עם סוללות הטילים, הסוללות האנטי אוויריות ומטוסי המיג שתקפו אותם. במהלך שנת 1967 איבדה ארצות הברית 248 כלי טיס (145 של חיל האוויר, 102 של הצי ואחד של חיל הנחתים).
כדי לשרוד בשטח קטלני זה, אימצה ארצות הברית טקטיקות מיוחדות חדשות. פשיטות רחבות היקף, שכונו בחיל האוויר בשם "חבילות כוח" (force packages) ובצי כונו "תקיפות אלפא" (Alpha strike), כללו אין ספור כלי טיס שנועדו להגן על המפציצים. הראשונים להיכנס לאזורי המטרות היו כוחות מיוחדים שכונו "יד הברזל" (Iron Hand) שנועדו לדכא את הכוחות האנטי-אוויריים של הצפון וייטנאמים. אלה כללו את מטוסי ה-F-105 שצוידו באמצעים אלקטרוניים מתוחכמים לגילו פליטת הקרינה של אמצעי ההנחיה והשליטה של סוללות הטילים.
מערכות הויילד ויזל נשאו גם אמצעי נגד אלקטרוניים (ECM) להגנה עצמית. הם כוונו לבצע דיכוי של ההגנה האנטי-אווירית ונשאו טילים נגד קרינה AGM-45 שרייק (פיתוח נוסף של הצי), שהתבייתו על מערכות המכ"ם ועל טילי הקרקע-אוויר. לטילי ה-S-75 דווינה היה טווח גדול יותר מזה של טילי השרייק, אך אם השרייק היה משוגר ומפעיל המכ"ם של האויב המשיך לפעול, הטיל האמריקאי היה מסוגל להתביית על האות של המכ"ם ולהשמידו. משחקי חתול ועכבר מתוחכמים התנהלו אז בין מפעילי המכ"ם הצפון וייטנאמים לבין הטייסים האמריקאים שהפעילו את הויילד ויזל. הצי גם הוא הפעיל כלי טיס למשימות דומות, אך לא הקים יחידות מיוחדות כמו הויילד ויזל כדי לבצע פעולות דיכוי לכלי הנשק האנטי אוויריים.
השלב השני לאחר דיכוי אמצעי ההגנה האנטי אווירית היה כניסתם לאזור המטרות של המפציצים העמוסים והמלווים במטוסי ליווי ובמטוסים שנשאו ציוד חסימה אלקטרוני לשיבוש המכ"ם של האויב. התקני ECM חדשים הוכנסו במהירות לשימוש כדי להגן על המטוסים מפני טילי הקרקע-אוויר, אך הם היו מוגלים בשל תנאי מזג האוויר. בכוחות משימה אלה נכללו גם מטוסי תדלוק אווירי KC-135 ומסוקי חיפוש והצלה שזכו להגנתם של מטוסי ה-A-1 סקייריידר שליוו אותם.
החל מאמצע שנת 1966 ועד לסוף 1967 המשיך הנשיא לינדון ג'ונסון לחלק לגנרלים מטרות רגישות להתקפה ובאותה עת ניסה לפייס את היונים בקונגרס ובממשל באמצעות קיצוצים תקופתיים וביוזמות שלום שלא באו מתוך כוונה כנה. בסופו של דבר מהלכים בלתי יציבים אלה לא גרמו לשביעות רצון של אף אחד וסייעו מעט לשנות את מהלך המלחמה.
האופי המיוחד של המטרות והסיכונים שבתקיפתם החלו לגבות מחיר. בספטמבר 1966 דיווח מפקד המבצעים הימיים של הצי, אדמירל דייוויד מקדונלד, לעמיתיו, לאחר סיור שקיים בדרום וייטנאם, שצוותי האוויר שהשתתפו במבצע רעם מתגלגל זעמו על תהליך הקצאת המטרות ושהם מצאו פגמים במערכה עקב "הנחיות שדרשו את ביצוען של תוכניות חוזרות ונשנות שנראו יותר מהכל כפועלות לטובתם של תותחני האויב". במהלך שנת 1967, שהייתה השנה המלאה השנייה של מבצע רעם מתגלגל, אבדו 362 כלי טיס אמריקאים בשמי צפון וייטנאם (208 של חיל האוויר, 142 של הצי ו-12 של חיל הנחתים).
הלוחמה במיגים.