מספר ימים לפני המלחמה הוחל בגיוס מילואים גדול. ב-26 באוקטובר פורסם בשם אגף המודיעין במטכ"ל כי צבא עיראק נכנס לירדן. פרסום פומבי זה נועד להסוות את המטרה האמיתית של גיוס המילואים. למגויסים נאמר כי סיבת הגיוס היא האפשרות להתנגשות עם ירדן בגלל כניסת הצבא העיראקי לגבולות ירדן, והצטרפותה האפשרית של ירדן לפיקוד המשותף הסורי-מצרי. על פי מסמכים שנחשפו במרוצת השנים בארצות הברית, הפרסום הטעה גם את האמריקאים, שחששו באותה עת מהתקפה ישראלית על ירדן, ולא ידעו כי גיוס המילואים בישראל מכוון למצרים.
הסיוע הצרפתי באוויר ובים.
בהתאם להסכם עם צרפת והממלכה המאוחדת, הגיעו צוותי אוויר צרפתים לבסיס חיל האוויר ברמת דוד, והקימו בפועל טייסת חדשה, טייסת 201, שכללה 18 מטוסי מיסטר 4A חדישים. למחרת הוקמה טייסת נוספת, מספר 199, ובה 18 מטוסים נוספים. טייסת שלישית, שקיבלה את המספר 200, ובה 18 מטוסי F-84 ת'אנדרג'ט הייתה בדרכה מצרפת לשדה התעופה בלוד. כוח אווירי זה נועד להוות משקל נגד למטוסים החדישים שסופקו למצרים בעסקה הצ'כית, ולספק הגנה אווירית על העורף בישראל.
לפחות שניים מהמטוסים הצרפתיים אכן סייעו להגן על ישראל, כאשר במהלך המלחמה סיירו מעל המשחתת המצרית איברהים אל אוול. ספינת מלחמה צרפתית, הקרסן, הייתה זו שעצרה ראשונה באש תותחיה את המשחתת, בטרם נלכדה על ידי חיל הים הישראלי.
שלב הפתיחה: 29–30 באוקטובר.
ערב המבצע, ב-28 באוקטובר 1956 קלטה יחידה 515 (לימים 8200) מברק מצרי שכלל דיווח על הערכות להמראת שני מטוסי תובלה צבאית מצרי לטיסה מדמשק לקהיר ובהם הרמטכ"ל המצרי עאמר ובכירי המטכ"ל המצרי. בהתייעצות מזורזת במטכ"ל הוחלט להפיל את המטוסים מעל לים התיכון. בפועל המריא מטוס אחד והשני התעכב. המשימה הוטלה על הטייס יואש (צ'אטו) צידון אשר ביצע את המשימה במטוס מדגם מטאור. למבצע קראו "תרנגול".
ביום ב' 29 באוקטובר 1956 בשעה 15:00 הוצנח גדוד הצנחנים 890, בפיקודו של רס"ן רפאל איתן, בפתח המזרחי של מעבר המיתלה, כ-70 ק"מ ממזרח לתעלת סואץ, במה שכונה "מבצע מכבש". את ההצנחה ביצעו 16 מטוסי DC-3 דקוטה, בליווי של מטוסי אוראגן ומטאור. התוכנית המקורית הייתה להצניח את הגדוד בצד המערבי של המעבר, 30 ק"מ מהתעלה; אולם צילום אוויר גילה מחנה אוהלים באזור ההצנחה, והיה חשש שהמעבר תפוס מהצד המערבי על ידי כוח חי"ר מצרי. על כן שונתה התוכנית, שעות מספר לפני הפעולה. בדיעבד, התברר שידיעות המודיעין היו שגויות: האוהלים המועטים היו שייכים לפועלי כביש מצריים; ואילו כתגובה להצנחה, נע כוח חי"ר מצרי אל המעבר ותפס עמדות בתוכו, עובדה שלא הייתה ידועה ושעתידה לעלות בחייהם של כארבעים צנחנים.
בהתאם לתוכנית, כבשה חטיבת הצנחנים 202 את כונתילה ואת ביר חמד, הסמוכים לגבול, והחלה לנוע מערבה אל עבר מעבר המיתלה, רכובה על גבי זחל"מים ומלווה בכוח שריון. החטיבה כבשה בדרכה את המוצבים תמד ואל-נח'ל, ובלילה שבין 30 ל-31 באוקטובר חברה אל גדוד הצנחנים בפתח מעבר המיתלה, סמוך למצבת פרקר. בכך הושלמה משימתה המקורית של חטיבת הצנחנים. ב-30 באוקטובר הציגו צרפת והממלכה המאוחדת את הדרישה ממצרים ומישראל, עליה סוכם מראש בוועידת סוור.
לאחר שכוח של חטיבה 9 השתלט על ראס אל-נקב, כ-20 ק"מ מצפון-מערב לאילת, בדרכו אל שארם א-שייח', התפרסמה הודעת דובר צה"ל: בהתאם למדיניות ההסחה, גם הודעה זו נוסחה כך, שייוצר הרושם שמדובר ב"פעולה" מוגבלת ולא במערכה כוללת.
ב-29 באוקטובר בלילה קיבלה חטיבת החי"ר 4 פקודה לכבוש את מתחם קוסיימה, ולהיות מוכנה לחבור אל גדוד הצנחנים שבמעבר המיתלה, במקרה שזה יכותר או ששאר חטיבת הצנחנים תתקשה לחבור איתו.
כבר בשלב הפתיחה של המלחמה החלו לנבוט הזרעים של חילוקי הדעות בין הקצינים הבכירים שניהלו את המערכה, ובעיקר בין הרמטכ"ל משה דיין לבין מפקד הפיקוד, אסף שמחוני. מלכתחילה היו היחסים ביניהם תקינים, על רקע עברם המשותף בפיקוד הצפון. אולם בתחום הטקטי היו ביניהם פערי גישה, שהביאו למחלוקת. בבוקר 30 באוקטובר התבטאה המחלוקת בהוראה שהגיעה ממוצב הפיקוד העליון ("מצפ"ה"), לפצל מחטיבה 7 צוות קרב גדודי כדי לסייע לחטיבת הצנחנים, מתוך הערכה, שהתבררה כשגויה, שחטיבתו של אריאל שרון (חטיבת הצנחנים) מתקדמת לאט מדי. שמחוני, שהבין כבר אז, עוד בטרם ערך צה"ל קרבות שריון אמיתיים, את חשיבותה של הפעלת כוחות השריון כיחידות מלאות - התנגד לפיצול. מעדויות של קציני המטה ואנשי ענף היסטוריה, עולה ששמחוני פעל ב"תחום אפור", לא הפר את פקודת הרמטכ"ל אך גם לא ביצע אותה כלשונה. הוא פקד על מח"ט 7, אורי בן-ארי, לנוע עם כל חטיבתו לקוסיימה, כדי לסייע לחטיבה 4 שהתקשתה בכיבוש המתחם, ולהיות מוכנים מיד להמשך התנועה לעבר מתחם אום כתף. הפקודה להפעלת חטיבה 7 הייתה אמנם בניגוד להוראתו המקורית של הרמטכ"ל, אולם שמחוני החליט להפעיל את שיקול דעתו כמפקד הבכיר באזור הקרב, כפי שהבין את סמכותו. הוא הקפיד לדווח למצפ"ה על הכנסת החטיבה למרחב סיני, מתוך כוונה שאם ההוראה עומדת בעינה, תגיע בתגובה הוראת ביטול; הוראה כזו, על פי כל העדויות, לא הגיעה, ונראה שהרמטכ"ל השלים עם השינוי בדיעבד, במיוחד לאור ההתפתחות המוצלחת של המערכה. רב-סרן משה אילן מענף היסטוריה במטכ"ל העיד, ששמחוני פקד להעביר שדר למצפ"ה, האומר שאם יש לפיקוד העליון התנגדות למהלך שיזם מפקד הפיקוד, כי אז שישלח פקודת ביטול. על פי עדותו של אילן, כתשובה לשדר הגיעה הודעה ממצפ"ה, שממנה השתמע אישור בדיעבד למהלך. גם שנים רבות לאחר המלחמה, נותרה ההאשמה ששמחוני הפר למעשה את הוראת הרמטכ"ל, בכך שהורה להפעיל את חטיבה 7 מוקדם יותר מהמתוכנן. כאשר כתב דיין את ספרו "יומן מערכת סיני", שבו הוא טען זאת, עדיין לא הותרו לפרסום המסמכים הרלוונטיים. רק שנים לאחר מכן, הוכיחו המסמכים ששמחוני הפעיל את חטיבה 7 בתאום עם המטכ"ל.
כעבור שנים, במעין הודאה בטעותו במחלוקת עם אסף שמחוני, כתב משה דיין ב"יומן מערכת סיני" את המשפט המפורסם: "עם כל התרעומת שהייתה בלבי על הפרת המשמעת, הרי שמוטב להיאבק בסוסים אבירים כאשר הבעיה היא איך לבולמם - מאשר לדחוק ולהאיץ בשוורים המסרבים לזוז".
כתוצאה מההפעלה של חטיבה 7, ובמאמץ משותף עם חטיבה 4, הושלם כיבוש מתחם קוסיימה בבוקר 30 באוקטובר. שמחוני ביקש במברק למצפ"ה אישור למוטט את מתחם אום כתף, בהקדימו בכך את לוח הזמנים המתוכנן. האישור לא התקבל מיד, מפני שלא ניתן היה להשיג את הרמטכ"ל ברשת הקשר. משה אילן העיד, שלפני הצהריים הגיע האישור באלחוט. דיין הופיע בהמשך היום בחמ"ל פיקוד הדרום בבאר שבע, ועל פי הרישום ביומן הרמטכ"ל, הורה במפורש לנוע לכוון אבו עגילה. אחר הצהריים פגש דיין את מח"ט 7 באום-שיחאן, והורה לו להתקדם בזהירות, תוך פיצול יחידותיו לכיבוש כל יעד שבו לא ייתקלו בהתנגדות קשה מדי. הוא הורה לו לשלוח גדוד אחד לכבוש את ביר חסנה, מתוך הנחה חוזרת שחטיבת הצנחנים זקוקה לסיוע. אולם בשעות הערב, משהתברר שאין הדבר כך, הורה שמחוני להחזיר את הגדוד ולהפעיל את החטיבה כיחידת שריון אחת, לכיבוש המתחם העיקרי באום-כתף.
כישלון ההתקפה על אום-כתף.
בשעות אחר הצהריים של 30 באוקטובר הורה הרמטכ"ל דיין לחטיבה 10 לפרוץ את כביש ניצנה - אבו עגילה, ולכבוש את אום-כתף. הייתה זו חטיבת חי"ר מילואים, שגויסה אך זמן קצר לפני כן, ואפילו מפקדהּ, שמואל גודר, לא בטח בכשירותהּ. שינוי הפקודה של דיין עמד בניגוד להנחייתו הקודמת למח"ט 7, לכבוש את אותו המתחם בזהירות וללא הקזת דם מיותרת, ביום שלמחרת. הדחיפות בביצוע המשימה כעת נדרשה, לדעת דיין, כדי להבטיח אפשרות להעביר אספקה לכוחות שכבר עברו את המתחם, מתוך חששו שהציר הראשי (ציר "סלק") שחוק ממעבר הכוחות ואינו עביר לרכבי אספקה. החטיבה המוקטנת אמנם תפסה בהצלחה את המשלטים המצריים על הדרך לאום-כתף, אולם למחרת עמדה בפני המשימה לתקוף חזיתית מתחם חטיבתי מבוצר היטב, וזאת בניגוד לתורת הלחימה, הגורסת יחס של 1:3 בין הכוח התוקף למגן. בבוקר 31 באוקטובר שלח שמחוני יחידת סיור של החטיבה, בפיקוד סא"ל עמוס בנין, כדי לבדוק את מידת ההתנגדות. הסיור נתקל באש עזה ונסוג. אחר הצהריים נפגש הרמטכ"ל עם קציני החטיבה, ודחק בהם לתקוף מיד את המתחם, על אף חוסר כשירותם. החטיבה הסתערה חזיתית, אולם לא הצליחה לכבוש את המתחם. בלילה הוטלה למערכה חטיבת השריון 37, אף על פי שכללה בפועל רק שתי פלוגות טנקים ושתי פלוגות על זחל"מים, ובנוסף לכך, הטנקים אף לא הספיקו להגיע לשטח ההיערכות. מפקד החטיבה, שמואל גלינקא, היה להוט לתקוף, ולאחר שהמתין עד השעה 3:00, אור ליום 1 בנובמבר, החליט לתקוף עם הזחל"מים בלבד. מכיוון שהמפקדים לא ערכו הכרות עם הדרך ליעד, הם נסעו באורות מלאים, נקלעו לאש מצרית ולשדה מוקשים, נפגעו וחולצו לאחור בקושי רב. בין הנפגעים היה גם המח"ט גלינקא, שפונה לבית החולים ושם נפטר.
למחרת החליט פיקוד הצבא המצרי על נסיגה כללית, כדי לרכז את הכוחות להגנת התעלה. על כן נכבש המתחם ביום המחרת, למעשה ללא קרב.