ב-14 במאי פינו הכוחות הבריטיים את לטרון, ומחלקה של "הלגיון" הוסיפה להחזיק במשטרת לטרון ב-15 בו פינו כוחות צבא ההצלה את גזרת לטרון שער הגיא, ואילו כוחות "הלגיון, שבאו להחליפם נערכו מצפון לכביש בית חורון. גזרת לטרון נותרה שתי יממות בידי כפריים מקומיים ומתנדבים בדווים. בלילות 16 ו-17 במאי כבשו חיילי "גבעתי" ו"הראל" את לטרון ודיר איוב, כדי לאפשר מעבר אספקה לירושלים בכביש שלרגליהן ('מכבי ג'). בשל ליקויים מנהלתיים הגיעה משאית אחת נושאת תחמושת בלבד (שיירת היתום).
בשחר 17 במאי נכנסה פלוגה "הלגיון" לגזרת לטרון, באזור יאלו, ובמשך היום נכנס גדוד 4 כולו לגזרת לטרון. בעוד 'הלגיון' נערך הועברה בליל 18 במאי שיירה של 18 משאיות. בליל 20 במאי נעשה ניסיון לכבוש את לטרון, כדי להוריד את שיירת מבצע 'הראל' מירושלים. התוקפים נתקלו באש עזה ונסוגו. בכך החל המצור על ירושלים.
בידי 'ההגנה' לא היתה עתודה מטכ"לית של ממש ב-15 במאי הוחלט להקים במהירות חטיבה משוריינת ראשונה (חטיבה 7) מן הכוחות שהיו תחת פיקוד אגף ההדרכה שפורק למטרה זו. החטיבה כללה את גדוד השריון א' (73) ולו משוריינים תוצרת תע"ש וזחל"מים ושני גדודי חי"ר (72-171), שלוקטו מיחידות שונות ומעולים חדשים אשר הגיעו זה עתה. סגל הפיקוד הורכב בעיקר ממדריכי הקורסים של אגף ההדרכה וחניכיו.
בהוראתו של ראש הממשלה הוחלט ב-20 במאי, אחרי לבטים רבים, להטיל על החטיבה לפרוץ את הדרך לירושלים ולהזרים אליה אספקה ותגבורת, במבצע גדול שכונה 'בן נון'. היא רוכזה באזור חולדה נען, ומשימתה היתה להסיר את הלחץ מצפונה של ירושלים. בשלב הראשון היה עליה לכבוש את עמדות האויב בלטרון, להשתלט על הכביש באזור לטרון שער הגיע, לעלות לקרית ענבים עם שיירת אספקה ולפתוח משם בהתקפה משולבת עם 'הראל' לעבר רמאללה. היו לחטיבה קשיי התארגנות והצטיידות ניכרים. המטכ"ל ששאף להפעיל כוח מאומן בהתקפה בגישה עקיפה ביקש לדחות את המבצע ככל האפשר, אולם ראש הממשלה שהושפע מאד מקריאות העזרה הנואשות מירושלים לא הרשה לדחות את ההתקפה אלא ל-24 שעות בלבד, וההוראה היתה: "עליך לבצע את תפקידך בכל מחיר". כדי לסייע להתקפה הוחש לחולדה גדוד 32 של חטיבת "אלכסנדרוני" שנועד לבצע את המשימה העיקרית. בינתיים תגבר 'הלגיון' את כוחו במידה ניכרת, והחל ב-23 במאי החזיק מתחם חטיבתי מוגן ובו 2300 חיילים ומאות מתנדבים וכפריים חמושים ולהם סיוע ארטילרי ושריון.
נועדו להשתתף בהתקפה שני גדודים בלבד, גדוד 72 וגדוד 32. על גדוד 32 הוטל להשתלט על אזור לטרון על-ידי כיבוש הכפרים לטרון ועמואס ומשטרת לטרון. על גדוד 72 הוטל להשתלט על האזור שמדרום לכביש הראשי, על-ידי כיבוש הכפר בית ג'יז ולאבטח את האגף הימני של גדוד 32, על ידי כיבוש הגבעות שבין בית ג'יז לדיר איבו. הכוח הנותר היה אמור לעבור בכביש הראשי לקרית ענבים עם שיירת האספקה מייד לאחר כיבוש לטרון.
נוכח היתרון של 'הלגיון', שנמצא במערך מוגן ושולט, היה סיכוי להצלחה רק בהתקפת לילה. אולם, בשל תקלות שונות התאחרה ההתקפה גדוד 32 הגיע לעמדות היערכות עם שחר, ומחוסר סיוע ארטילרי מספיק לא יכול להסתער לאור היום ולאלץ לסגת. חלק מכוחותיו נלכדו בוואדי טחון. גדוד 72 הותקף והופגז בעת מסע ההתקרבות שלו באזור בית סוסין ונסוג. למן השעה 10 בבוקר התמקד הקרב בניסיונות חיילי גדוד 32 הלכודים בשטח גלוי ונחות להיחלץ. אבידות צה"ל היו כבדות: 74 הרוגים (54 מגדוד 32) ו-6 שבויים. למרות הכישלון החליט הפיקוד העליון, כבר למחרת, לבצע התקפה נוספת על מתחם לטרון. כהכנה להתקפה השנייה נכבשו הכפרים בית ג'יז (26 במאי) ובית סוסין (ליל 28 במאי). הוקמה מפקדת חזית ולה הוכפפו כל כוחות צה"ל בירושלים ובדרך אליה. גדוד 32, אשר סבל את האבידות הכבדות ביותר בהתקפה הראשונה הוחזר לחטיבתו, ובמקומו סופח לחטיבה 7 גדוד 52 'גבעתי'. בליל 30/31 במאי יצאו הכוחות להתקפה על לטרון. תכנית ההתקפה השנייה דמתה בקוויה הכלליים לראשונה, אלא שבגזרה המערבית נועד לפעול הפעם צוות קרב גדודי, שכלל משוריינים וזחל"מים מגדוד 73 והוטל עליו לכבוש את מצודת המשטרה ואת לטרון הכפר ולרתק את חורשות המנזר. צוות הקרב הגדודי שפעל בגזרה המזרחית כלל שתי פלוגות מגדוד 52 והפלוגה מגדוד 72. הוטל עליו לבצע שלש התקפות גדודיות בזו אחר זו בלילה אחד, ולמעשה לכבוש את כל הגזרה המזרחית של מתחם לטרון.
ההתקפה על משלט נבי איוב נהדפה וההתקפה על 'רכס התותחים' הופסקה עוד לפני שלב ההסתערות. כל הכוח נסוג לעבר שער הגיא. הפעולה בגזרה המערבית בוצעה כמתוכנן בשלושה ראשים. כוח ב(3 משוריינים ומחלקת חי"ר) ריתק את חורשות המנזר. כוח ג' ( משוריינים ומחלקת חי"ר) הגיע לכפר לטרון וריתק אותו. כוח א' (הכוח העיקרי שכלל צוות קרב פלוגתי משוריין על זחל"מים) הצליח לפרוץ אל חצר משטרת לטרון. חיילי 'הלגיון' שבבניין התגוננו נמרצות. כמה זחל"מים נפגעו בפגזים שנורו מעבר עמואס והכוח סבל אבידות. כוח העתודה הופעל, אולם עלה על מצבור מוקשים ויצא מכלל פעולה. לא ניתן לפרוץ לתוך הבניין, שרידי הכוח התוקף נסוגו. בחצר המשטרה ובסביבתה נותרו 31 הרוגים ו-4 זחל"מים).