ב-7 בינואר החל צה"ל לקיים במרכז הרצועה ובעיר עזה "הפוגה הומניטרית", בין השעות 13:00 ל-16:00 בכל יום, כדי שהאזרחים יוכלו להצטייד במזון. צה"ל הורה לתושבים ברפיח, בקרבת ציר פילדלפי, לפנות את בתיהם, לקראת תקיפה של בתים המשמשים את מערכת מנהרות ההברחה. לאחר מכן נערכה מתקפה אווירית נרחבת, שבמהלכה נהרסו 20 בתים.
ב-9 וב-10 בינואר טענו חוקרים מארגון זכויות האדם האמריקאי Human Rights Watch כי הצליחו לזהות פצצות זרחן שנורו על ידי צה"ל ברצועת עזה. כמו כן טענו רופאים מעזה שהגיעו אליהם נפגעי זרחן. דובר צה"ל לא הכחיש את השימוש בפצצות זרחן על ידי צה"ל, והוסיף: "יצוין כי במשפט הבינלאומי אין איסור לשימוש בתחמושת המכילה זרחן לטובת מיסוך וסימון וכי צה"ל עושה שימוש רק באמצעי לחימה חוקיים".
ב-10 בינואר 2009 חיסלו צה"ל והשב"כ את אמיר מנסי, מפקד מערך הרקטות של החמאס בעזה.
חלק ניכר מהלחימה התנהל בשטח מיושב, כשאנשי החמאס פועלים בקרב אזרחים ומסכנים אותם. דוגמה לכך הובאה במסמך שלל שתפס צה"ל, ובו מרשם קרב שהכינו אנשי החמאס, הכולל פריסת חוליות בצמוד למסגד והנחת מטעני חבלה גדולים באזור עירוני מאוכלס, ואף מלכוד בתי ספר וגן חיות. דווח כי חמאס מונע העברת ציוד הומניטרי ומשתמש בתושבים כבמגן חי. ראש השב"כ, יובל דיסקין, טען כי אנשי חמאס מסתתרים בבתי חולים ואף מתחזים לרופאים. מנגד, מנהל בית החולים שיפא הכחיש את הטענה.
ב-11 בינואר 2009 החל שילוב של כוחות המילואים בפעילות הקרקעית ברצועת עזה.
ב-15 בינואר הפגיזה סוללת ארטילריה של צה"ל את מטה אונר"א, אחרי שמחבלים פלסטינים ירו ממנו טילי נ"ט נגד כוחות מחטיבת גבעתי. כתוצאה מההפגזה השתוללה שרפה במקום ובה נשרפו תרופות ומזון. צוין שאונר"א מעולם לא סירב לגייס לשורותיו אנשי חמאס, שנכון לסוף העשור הראשון של המאה ה-21, מרבית עובדי אונר"א בעזה הם אנשי חמאס ומרבית בכירי אונר"א בעזה הם בכירי חמאס, ושאונר"א הפכה לגוף המספק שירותי רווחה למחבלים וחינוך ברוח החמאס.
מבנה בבית החולים אל קודס הופצץ אף הוא, לאחר שלטענת צה"ל נורה ממנו טיל נ"ט. בערב ביצע חיל האוויר הישראלי סיכול ממוקד בבכירי חמאס וחיסל את סעיד סיאם, שר הפנים בממשלת חמאס, ואת אחיו איאד סיאם, שגם הוא היה בכיר בחמאס.
כוחות היבשה של צה"ל שהשתתפו בלחימה כללו בין היתר את חטיבת הצנחנים, שפעלה בצפון רצועת עזה בסיוע גדוד שריון, בגזרות הערים בית חאנון, בית לאהיא ואל-עטאטרה ומרחבי שיגור הרקטות שבאזור, חטיבת גולני שפעלה באזור ג'בליה וחטיבת גבעתי שפעלה בדרום העיר עזה, בשכונות זייתון ועלי מונטר וחדרה כמעט עד מרכז העיר. גדוד חרוב השייך לחטיבת כפיר פעל באזור ח'אן יונס ודיר אל-באלח. הגדוד ביצע משימות התקפיות כאשר במהלך אחת מהן נהרג מאש מחבלים רס"ן רועי רוזנר - מפקד פלוגת המסייעת של הגדוד. חטיבת השריון 188 פעלה בייחוד במשימות סיוע לחטיבות החי"ר, וחטיבה 401 יצרה חיץ באזור נצרים בין חלקה הצפוני של רצועת עזה ובין דרומה והפנתה תותחיה לעבר השכונות תל אל-הווא וא-זהרה. לאורך המבצע ניכר כי יושם אחד מלקחי מלחמת לבנון השנייה, כאשר מפקדי כוחות היבשה במבצע הקפידו לפקד על יחידותיהם בשדה הקרב ולא מתוך חדרי מלחמה ומוצבי שליטה. גם מפקדי צה"ל הבכירים ובהם הרמטכ"ל, גבי אשכנזי ואלוף פיקוד הדרום, יואב גלנט, הקפידו במהלך המבצע לסייר בשדה הקרב כדי להתרשם מן הלחימה באופן בלתי אמצעי ולחזק את ידי הלוחמים. חיל הרגלים וחיל ההנדסה הקרבית לחמו יחד בצורה רגלית ו לצד חיל השריון וחיסלו מחבלים, איתרו והשמידו מנהרות, אמל"ח, חבלה ועוד בלחימה.
חזית הצפון.
במהלך המבצע התרחשו בגליל שתי תקריות שבהן נורו מלבנון (ב-8 בינואר לעבר הגליל המערבי וב-14 בינואר לעבר אצבע הגליל) על ידי ארגון פלסטיני, שהזדהה כסניף לבנוני של חמאס, מספר רקטות בכל פעם, שגרמו למספר פצועים. בשני המקרים צה"ל הגיב בירי ארטילריה נקודתי לעבר אזור השיגור, ממשלת לבנון גינתה את משגרי הרקטות וארגון חזבאללה, שהתנער מאחריות, למעשה, יצר תנאים בשטח שאיפשרו את הירי שלהם.
ב-11 בינואר נפתחה אש מנשק קל מהצד הסורי של רמת הגולן לעבר חיילים ואזרחים ישראליים שטיפלו בגדר המערכת, בתקרית ללא נפגעים.
טקטיקה בעופרת יצוקה.
במהלך המבצע השתמשו צה"ל והחמאס בטקטיקות שונות, חלקן שנויות במחלוקת.
צה"ל.
בשלב הראשון של המבצע ומאוחר יותר לכל אורכו, הסתמך צה"ל על הפצצה מהאוויר בידי מטוסי קרב ושימוש במסוקי קרב כדי לפגוע בחוליות טרור ולבצע סיכולים ממוקדים בבכירי חמאס. רוב ההפצצות נעשו תוך שימוש בפצצות חכמות כדי להגביר את דיוק הפגיעות במטרה והקטנת הסיכוי לפגיעה בבלתי מעורבים. כלי טיס בלתי מאוישים הופעלו באופן נרחב, בעיקר למשימות תצפית ומודיעין צבאי.
כדי להפחית נפגעים אזרחיים הפעיל צה"ל נוהל שנקרא "הקש בגג". תושביו של בית שעמד להיות מופצץ הוזהרו בשיחת טלפון ונקראו להתפנות, ולעיתים האזהרה באה בדמות פצצה קטנה שפגעה בגג. דוח גולדסטון מצא את הנוהל כלא יעיל מספיק.
כדי להגן על כוחות צה"ל מפני מטעני חבלה ומלכודות, הפעיל צה"ל כוחות של חיל ההנדסה הקרבית באופן נרחב, והגדודים הסדירים וגדודי המילואים של החיל פוצלו למסגרות קטנות יותר על מנת לסייע לכוחות. לוחמי סילוק פצצות של יהל"ם הובילו את הכוחות וחשפו מטענים, וכאשר חששו לסכן לוחמים הפעילו צפע שריון או שלחו דחפורי D9R משוריינים שיפתחו צירים, ינקו מטעני חבלה ויהרסו בתים ממולכדים. במבצע הופעלו גם דחפורי D9N "רעם השחר" לא מאוישים.
כדי לחפות על לוחמי חיל הרגלים נעשה שימוש בטנקים ומסוקי קרב בסיוע הפגזה ארטילרית של חיל התותחנים וירי מרגמות. במבצע נעשה שימוש במרגמת קשת, מרגמה 120 מ"מ נשלטת מחשב המותקנת על גבי נגמ"ש M113. מרגמה זו נחשבת למדויקת, אך במספר תקריות החטיאה את המטרה ופגעה באזרחים.
כוחות חילוץ והצלה של פיקוד העורף השתתפו כצוותי פריצה וכוחות חילוץ תחת אש.
במהלך הלחימה הוכנסו מספר אמצעי לחימה לשימוש לראשונה במהלך המבצע, ביניהם:
צה"ל השתמש בפגזי זרחן לבן על מנת למסך את הכוחות ולהגן עליהם מפני תקיפות בידי הפלסטינים. שימוש זה עורר מחלוקת בדעת הקהל העולמית ונטען נגדו שהוא איננו חוקי. ארגון משמר זכויות האדם (HRW) פרסם דו"ח בשם Rain of Fire, "Israel’s Unlawful Use of White Phosphorus in Gaza" ובו קבע שהשימוש של צה"ל בזרחן לבן היה לא חוקי. כמו כן נטען שלפחות 50 פלסטינים אושפזו עקב כוויות שנגרמו מזרחן לבן. דונטלה רוברה, חוקרת של אמנסטי אינטרנשיונל בישראל ובשטחים, אמרה שצה"ל השתמש בפצצות זרחן באופן נרחב וחסר הבחנה באזורים מאוכלסים, למרות ראיות לנזק שזה גרם לאזרחים, ולכן זהו פשע מלחמה. צוות הבדיקה של האו"ם בנושא העימות בעזה קיבל את הטענה ששימוש בפצצות זרחן איננו מנוגד לחוק הבינלאומי אך מצא שצה"ל השתמש בפצצות אלה באופן שיטתי וחסר אחריות באזורים בנויים. הדוח המליץ להוציא אל מחוץ לחוק את השימוש בפצצות זרחן לצורכי מיסוך. מנגד, אנשי צבא בישראל ומחוצה לה טענו ששימוש בפצצות זרחן למיסוך והגנה על הלוחמים הוא נוהג נפוץ ומקובל, ושלעיתים חוסר שימוש בו (למשל כאשר צריך לחלץ פצועים תחת אש) הוא הפקרת הלוחמים.
לאחר תום המבצע הוחלט בצה"ל להפסיק להשתמש בפצצות המכילות זרחן, גם לצורכי מיסוך עשן, ובמקום זאת יפותחו יכולות מיסוך שאינן מכילות את החומר השנוי במחלוקת.
כמו כן הואשם צה"ל בשימוש בפצצות מסוג Dense Inert Metal Explosive, הגורמות להרעלה ופציעות קשות במיוחד לנפגעים מהן.
צה"ל הואשם על ידי ארגוני זכויות אדם בשימוש לא-מידתי בכוח ופגיעה מכוונת באזרחים. להאשמות הצטרפו ארגון שוברים שתיקה. נטען שהשימוש של צה"ל בארטילריה ומרגמות בלב שטח מאוכלס הוא לא מידתי ומסכן אזרחים רבים. צוות הבדיקה של האו"ם בנושא העימות בעזה כתב בדוח שצה"ל תקף במכוון אזרחים והפעיל כוח לא-מידתי. מאוחר יותר, ריצ'רד גולדסטון, המחבר הראשי של הדוח, חזר בו מטענות אלה.
חמאס.
חמאס התבסס במבצע על התבצרות בשטח בנוי המאוכלס בצפיפות והטמנת מלכודות בדמות מטעני חבלה, מלכודות נפץ מוסוות (booby-traps) ומנהרות תופת. מטעני חבלה הוטמנו בבתים אזרחיים ואף במוסדות כמו מסגדים ובתי ספר.
במהלך המבצע ניסו המחבלים לחטוף חיילים, בעיקר באמצעות מנהרות שהוסתרו מתחת לבתים, אך אף ניסיון כזה לא הצליח.
כוחות חמאס מיעטו להתעמת עם צה"ל באופן ישיר. כאשר ראו שההתנגדות שלהם אינה אפקטיבית, החליפו את מדיהם לבגדים אזרחים וניסו לפגוע בכוחות תוך שימוש באזרחים כמגן אנושי. דובר צה"ל פרסם סרט שצולם על ידי כטב"ם המתעד פעיל חמאס שיורה רקטה מגג בניין מגורים ואז בורח מהמקום כשהוא מוקף בילדים, כדי למנוע מכוחות צה"ל לפגוע בו. מאוחר יותר חיברו צה"ל ומשרד החוץ סרט וידאו הסברתי המאשים את חמאס בשימוש שיטתי באזרחים כמגן אנושי ובילדים לצורכי לחימה הכולל סרטים ותמונות המתעדים לוחמי חמאס תופסים ילדים ומשתמשים בהם כמגן אנושי על מנת לברוח מאזור הקרב, תמונות של מחבלים היורים מאחורי ילדים וכן סרטונים המתעדים הסתה של ילדים ושימוש בהם לצורכי טרור.
כנגד חמאס הועלו האשמות על כך שניצל בתי חולים ואמבולנסים כדי להסתתר מפני צה"ל ולבצע פשעי מלחמה.
מספר עדויות של חיילי צה"ל ופלסטינים תושבי עזה טוענות שאנשי חמאס לבשו מדים של צוותים רפואיים והשתמשו באמבולנסים כדי לנייד מחבלים.