ב-5 ביוני, בשעה 14:30, תקף מבנה של מטוסי הנטר את מושב נהלל. למחרת בבוקר תקף מבנה של מטוסי הנטר את חטיבת ברק ופצע חמישה חיילים. למחרת, הפציץ מטוס טופולב 16 את העיר נתניה והרג אזרחית אחת. בדרכו חזרה הפציץ את מבואות עפולה, אך פצצותיו לא התפוצצו (שני חיילים ישראלים נהרגו כשניסו לנטרל אותן) והמשיך לאזור רמת דוד, שם נפגע מאש נ"מ והתרסק מעל מחנה עמוס. פיצוצו גרם למותם של 14 חיילים ישראלים ופציעתם של שמונה נוספים (ראו פירוט בערך תקיפת מטוס טופולב עיראקי בישראל).
בתגובה לפעילות חיל האוויר העיראקי תקף חיל האוויר הישראלי את שדה התעופה H-3 שלוש פעמים, שבמהלכן בוצעו 11 גיחות של מטוסי ווטור ו-8 גיחות של מטוסי מיראז' 3. במהלך התקיפות הושמדו על הקרקע 8 מטוסי מיג 21, 10 מטוסי הנטר ומטוס תובלה אחד. בפעילות הזאת איבד חיל האוויר הישראלי שני מטוסי ווטור ומיראז' אחד.
סוריה ומצרים ביקשו, במהלך המלחמה, סיוע אווירי עיראקי, אך עיראק סירבה להקצות מטוסים נוספים והסתפקה בהגנה על שמי עיראק.
החזית המצרית.
צבא מצרים היה הכוח הגדול ביותר שעמד מול צה"ל, כוח שהיה בתהליך של מעבר מיבשת אפריקה אל חצי האי סיני. יחידות מצריות החלו לצאת מתימן, כדי להצטרף לכוח שהלך והתעצם בסיני. תהליך ההתעצמות המצרי לווה בתהליך של כריתת בריתות צבאיות עם יתר מדינות ערב המקיפות את ישראל, כדי לא לאפשר לכל הצבא הישראלי להתרכז בהתמודדות עם מצרים. המתקפה הישראלית יצאה לדרך במטרה לשבור את טבעת החנק המתהדקת, לפני שהברית הצבאית הכלל ערבית תגיע לדרגת כוננות ותיאום גבוהה יותר.
מבצע ההונאה.
בימים שקדמו לפתיחת המלחמה ערך צה"ל, באמצעות אוגדת ההונאה של פיקוד הדרום, אוגדת ההטעיה 49, תנועות צבא שנועדו לשכנע את מצרים שהמתקפה הישראלית תרוכז בציר הדרומי. בנוסף לתנועות צבא ביום לכיוון האמור והשבת כלי הרכב בלילה, הופעלו גם סוכנים כפולים לשכנוע מצרים בכך שהמתקפה צפויה בציר הדרומי. מצרים השתכנעה ויחידות מצריות רבות קיבלו הוראה לשינוי היערכות ומיקום, כדי להתכונן למתקפה בציר הדרומי. בעקבות מבצע ההטעיה החלו המצרים, החל ב-28 במאי, בתגבור הציר הדרומי מנח'ל לכונתילה, ושל השטח שבין כונתילה לקוסיימה. תנועות הצבא המצרי גרמו לאי סדר לוגיסטי וחוסר מוכנות, שלהערכת צה"ל אמור היה להגיע לשיאו ב-5 ביוני. מסיבות אלה ביקש הרמטכ"ל שהחלטת הממשלה על היציאה למלחמה לא תקבע יציאה מוקדמת מ-5 ביוני והממשלה אכן ציוותה כך.
המתקפה.
ביום שני, 5 ביוני 1967, בשעה 8:15 הושמע בקשר האות "סדין אדום" והכוחות היבשתיים של צה"ל פתחו בהתקפה על הצבא המצרי בחצי האי סיני וברצועת עזה. ההתקפה נעה בשלוש אוגדות, שהיוו שלוש זרועות תקיפה עיקריות, ונוספו עליהן שתי חטיבות שפעלו בצורה עצמאית. חטיבה עצמאית נוספת שהייתה אמורה לפעול בציר החוף הועברה לפיקוד מרכז לאחר שהתברר כי אין בה צורך.
הכוח היבשתי התוקף, בפיקודו של אלוף פיקוד הדרום ישעיהו גביש, מנה 11 חטיבות וכלל כ-600 טנקים. זרוע ההתקפה העיקרית הייתה זו של אוגדת הפלדה בפיקוד האלוף ישראל טל, שפרצה בציר החוף של צפון סיני, וכעבור ארבע יממות הגיעו כוחותיה אל תעלת סואץ בקנטרה ומול אסמאעיליה. אוגדת האלוף אריאל שרון פרצה בגיזרת אבו עגילה וניהלה קרב מכריע באום-כתף, וכוחותיה התקדמו והגיעו כעבור ארבע יממות אל אזור נח'ל.
במהלך יומיים, כבשה את רצועת עזה חטיבה עצמאית מתוגברת, וחטיבה ממוכנת עצמאית פעלה במטרה להטעות את המצרים בתנועות והתקפות מבוימות בנגב הדרומי, בסביבת כונתילה. התנועה השיגה את מטרתה. בימים 7 ו-8 ביוני בסיוע כוח מבית הספר לצניחה, השתלטו כוחות חיל הים הישראלי בחופי דרום סיני על שארם א-שייח', ראס נאצראני, א-טור, אבו רודס וראס סודר.
פקודת הנסיגה הכללית שנתן המטכ"ל המצרי ב-6 ביוני הפכה את המלחמה לקרב התקדמות. צה"ל התקדם במהירות לעבר מעבר המיתלה על מנת לחסום את הכוחות המצריים הנסוגים.
החזית הירדנית.
במהלך תקופת ההמתנה ישראל התאמצה להעביר למלך ירדן את המסר, שאינה רוצה מלחמה עמו ואין בכוונתה ליזום התקפה על שטח הממלכה (ובכלל זה ירושלים המזרחית והגדה המערבית). לאותה מטרה התקיימו מספר פגישות חשאיות בין המלך חוסיין ובין מנכ"ל משרד ראש הממשלה, יעקב הרצוג, במטרה למנוע אי-הבנה שתביא להתלקחות הגבול.
עם זאת, בבוקר היום הראשון למלחמה, הועברו למטכ"ל הירדני הודעות מהמטכ"ל המצרי כאילו כוחות מצרים נוחלים הצלחה בחזית סיני, ומעודדים את הצבא הירדני (שהיה תחת פיקוד הגנרל המצרי עבד אל-מונעם ריאד) בהתאם להסכם ההגנה שנחתם בין מצרים ובין ירדן לפתוח במתקפה ולקחת חלק ב"חלוקת השלל". ייתכן שהפיקוד העליון המצרי אכן לא ידע על המצב העגום של צבאו, אך ייתכן שהודעות אלו נמסרו למלך כדי שיפתח במתקפה שתרתק כוחות ישראליים לחזית הירדנית, ותפחית מהלחץ שבו היו נתונים הכוחות המצריים בסיני.
בשעה 9:40 פתחו הירדנים באש נשק קל לעבר עמדות הקו העירוני והר הצופים בירושלים. בשעה 10:00 בערך התחילו הירדנים בהרעשת תותחים ומרגמות לכל אורך החזית, כולל תל אביב, בסיס חיל האוויר רמת דוד וירושלים המערבית. ההפגזות הירדניות בירושלים ביומיים הראשונים ללחימה גרמו למותם של 15 אזרחים ופציעתם של כ-500 אחרים. בהפגזה בירושלים נפגעו בית הנשיא, משכן הכנסת וגן החיות התנ"כי. מטוסים ירדנים תקפו את מפעל "אלבר" בכפר סבא ובהפצצה נהרגו ארבעה מעובדי המפעל. מול הכוחות הירדנים ניצבו כוחות צה"ל מדוללים, בעת שעיקר צה"ל נערך מול המצרים בסיני.
תחת פיקודו של אלוף פיקוד המרכז עוזי נרקיס היו חמש חטיבות, שבמהלך שלושת הימים הראשונים למלחמה תקפו את הכוחות הירדניים מכיוון ירושלים, לטרון וקלקיליה, וכמו כן פיקוד הצפון תקף מכיוון עמק יזרעאל. הקרבות היו מהירים ובחלקם, בעיקר בקרב על ירושלים, היו קשים ביותר ולוו בנפגעים רבים. חטיבת הראל תקפה מפרוזדור ירושלים לכיוון הכניסה מצפון לירושלים, וכבשה את גבעת הרדאר וההרים הסמוכים לה, הגיעה לתל אל פול וכבשה את גבעת המבתר, וכך ניתקה את ירושלים המזרחית מצפון. חטיבת ירושלים, שהחלה את הלחימה בירושלים בקו העירוני ובהר הצופים, כבשה את ארמון הנציב, צור באהר, אבו תור ואת הרובע היהודי בעיר העתיקה. חטיבה 55, המורכבת מצנחנים במילואים, כבשה את גבעת התחמושת, מוזיאון רוקפלר, אוגוסטה ויקטוריה, הר הזיתים, ולבסוף את הכותל המערבי והר הבית.
חטיבת קרייתי שפעלה כחטיבה מרחבית באזור השפלה כבשה את לטרון, והתקדמה עד כביש ירושלים-רמאללה. חטיבת גבעתי כבשה את קלקיליה וטולכרם. כוחות קטנים יותר כבשו את אזור אידנא בהר חברון. לחיל האוויר היה חלק חשוב מאוד בקרבות, בכך שמנע מספר פעמים, בשלבים קריטיים בלחימה, הגעת תגבורות שריון ירדניות לעזרת כוחות הלגיון באזור ירושלים.
פיקוד צפון כבש את צפון השומרון במהלך אוגדתי של אוגדה 36, בין ה-5 ל-7 ביוני.
בתוך פחות משלושה ימים השתלטו כוחות צה"ל על שטחי המפתח ביהודה ושומרון כולל ירושלים המזרחית, והכוחות הירדניים הנותרים נסוגו כולם אל ממזרח לנהר הירדן. יום הלחימה הרביעי הוקדש להשתלטות על יתר שטחי יהודה ושומרון, כמעט ללא התנגדות.
כ"ח באייר, התאריך העברי בו נכבשה ירושלים המזרחית והר הבית, מצוין בישראל כיום חג לאומי, הנקרא "יום ירושלים".
החזית הסורית.
בצהרי 5 ביוני, היום הראשון למלחמה, הפציצו מטוסים סוריים מטרות צבאיות ואזרחיות בצפון ישראל. בתגובה תקפו מטוסי חיל האוויר הישראלי שדות תעופה בסוריה. בבוקר 6 ביוני החלה הפגזה סורית כבדה על אצבע הגליל ולאחריה פתחו הסורים בהתקפה קרקעית על מוצב אשמורה (ממזרח לחולתה) ועל קיבוץ דן ותל דן. שתי ההתקפות נהדפו. בארבעת ימי הלחימה הראשונים המשיכו שני הצדדים בהרעשות ארטילריות וחיל האוויר הישראלי הפציץ מטרות ברמת הגולן.
עם התקדמות צה"ל בשתי החזיתות האחרות הופנו כוחות לגזרת רמת הגולן. למרות זאת, התנגד דיין לפתיחת חזית מול הסורים. בבוקר יום שישי, 9 ביוני, שינה דיין את דעתו והורה ישירות לאלוף פיקוד הצפון דוד אלעזר להתחיל בכיבוש הרמה.
החל משעות הבוקר ביום זה תקף חיל האוויר הישראלי את רמת הגולן במתקפה אווירית מרוכזת ומתמדת. גזרת ההבקעה תוכננה לצפון רמת הגולן, שם היה השיפוע בעלייה לרמה מתון יחסית. בשעות הצהריים של 9 ביוני החלה ההבקעה בשני מאמצים עיקריים: חטיבה 8 פרצה ראשונה מגבעת האם והייתה אמורה לכבוש את זעורה ועין פית. הגדוד המוביל של החטיבה טעה בניווט והגיע אל קלע, תוך שהוא כובש אותו לבסוף תוך אבדות כבדות. שאר החטיבה כבשה כמתוכנן את מתחם זעורה. במקביל, תקפה חטיבה 1 (גולני) את מערך המוצבים הצמוד לגבול. גדוד 12 תקף את מוצב תל פאחר ונקלע לקרב קשה, אך עד הערב הצליח לכבוש את המוצב. גדוד 51 של החטיבה כבש את תל עזזיאת. במקביל החלו מספר מאמצים משניים שנועדו להסוות את גזרת הפריצה העיקרית. חטיבה 3 כבשה את דרדרה ותל הלאל במרכז הרמה, גדוד מחטיבה 80 כבש את הכפר דרבשיה מדרום לגונן, וטנקים מחטיבה 37 עלו מגונן לכיוון רוויה. במהלך הלילה הרחיב צה"ל את הטריז דרומה, עד לאזור גשר בנות יעקב.