Tháng 8 năm 1965, Hoàng Đan giữ chức Phó Tư lệnh Sư đoàn 304B, đơn vị dự bị của Sư đoàn 304. Tổng khởi nghĩa Mậu Thân năm 1968 diễn ra, ông cùng sư đoàn 304 tham gia Trận Khe Sanh. Qua trận chiến này, ông được thăng hàm Thượng tá năm 40 tuổi. Đến năm 1970 được bổ nhiệm làm Tư lệnh sư đoàn 304B. Cùng năm này, Hoàng Đan tham gia chỉ huy chiến đấu tại chiến dịch phản công Đường 9 - Nam Lào. Sau đó, trong lúc diễn ra trận đánh thành cổ Quảng Trị, sư đoàn 304 của ông phụ trách phối hợp bên cánh, gây thiệt hạ nặng cho các đơn vị địch.