Большая часть французских войск на начальном этапе операции была переброшена с военных баз в соседних с Мали странах на транспортных самолетах. Из Чада в Бамако прибыла тактическая группа из 200 бойцов (подразделения 21-го полка морской пехоты и взвод 1-го бронекавалерийского полка Иностранного легиона). Они выдвинулись к стратегически важному мосту Маркала (230 км к северу от Бамако) через реку Нигер, обеспечив безопасное развертывание всей французской группировки. Далее из бывшей метрополии прибыли по роте 2-го и 3-го полка морской пехоты. Численность французских войск в Мали выросла до двух тысяч человек через десять дней после начала войны.

Стоит отметить, что операция Serval в очередной раз продемонстрировала неспособность французской военно-транспортной авиации решать задачи по переброске войск и грузов со своих баз во Франции. Имеющиеся на вооружении средние военно-транспортные самолеты (ВТС) Lockheed C-130 Hercules и Transport Allianz C.160 Transall хороши лишь для применения на африканских операционных линиях, но не для трансконтинентальных перелетов.

Снова привлекались французские гражданские авиалайнеры Airbus A310 и A340, британские и канадские тяжелые ВТС Boeing C-17A, а также самолеты Ан-124 «Руслан» частных российских и украинских авиаперевозчиков и 224-го летного отряда Минобороны России. Для тактического обеспечения наземной операции союзники по НАТО (Бельгия, Германия, Дания, Испания) предоставили Франции семь средних ВТС.

С другой стороны, вновь показали свой высокий потенциал для проведения заморских операций универсальные десантные корабли (УДК) типа Mistral. УДК Dixmude с подразделениями 92-го пехотного полка, 1-го полка морской пехоты и 140 единицами бронетехники (в том числе боевые машины пехоты VBCI и бронеавтомобили AMX-10RC) на борту потратил на переход из Тулона в Дакар семь дней (21-28 января). На переход из Сенегала в Мали своим ходом эта тактическая группа потратила еще неделю.

В течение двух первых недель операции Serval действовала фактически только французская боевая авиация. Наземные силы французов и их африканских союзников под прикрытием тактических групп вели развертывание, готовясь к решающему наступлению. Африканская часть союзных войск AFISMA (African-led International Support Mission to Mali), задействованных в операции, представляла собой довольно пеструю смесь совершенно разных по численности, вооружению и уровню боевой подготовки контингентов. Они начали прибывать 17 января, и к 4 февраля численность военнослужащих AFISMA достигла 3,8 тысячи, то есть почти столько же, сколько французских — 4 тысячи. Свои контингенты представили Того, Буркина-Фасо, Нигер, Бенин, Сенегал и Нигерия, которая прислала и крупную по местным меркам авиагруппировку — два штурмовики Alpha Jet и вертолеты Ми-35. Но самый многочисленный и самый боеспособный контингент предоставил Чад — 1,8 тысячи бойцов (далее эта цифра выросла до 2,4 тысячи). Боевые качества чадских солдат хорошо известны в регионе Сахары и Сахеля. Чадцы приняли активнейшее участие в боевых операциях французов и малийцев. Остальные африканские войска были заняты на охране тыловых коммуникаций и городов, что позволило высвободить для наступления на север максимальное количе — ство союзных войск.

Войска союзников еще прибывали в Мали, но было принято решение о начале наступления на север 25 января. Сил для этого уже было достаточно — 2,4 тысячи французских и 1,75 тысячи западноафриканских солдат. Проблемой оставалось недостаточное количество легкой бронетехники, однако она была решена после прибытия 1 февраля (уже в ходе наступления) из нигерской столицы Ниамея в Гао колонны пушечных бронированных машин AMX-10RC и 155-мм колесных самоходных гаубиц CAESAR 1-го полка морской пехоты. Затем из Сенегала прибыла колонна AMX-10RC и новых колесных бронетранспортеров VBCI.

Перед наступлением французские тактические группы прикрытия, развернутые на ключевых направлениях в районах Нионо и Коны, были объединены в батальонную тактическую группу 21-го полка морской пехоты и выдвинуты на линию Диабали-Севарэ. Объединенная вертолетная группа была переброшена из Бамако в Сегу.

Союзники наступали по двум направлениям. Первой целью стал Гао. Численность атакующих сил — 500 бойцов (большинство малийцы). Французский спецназ в ночь на 26 января захватил после короткого интенсивного боя мост через реку Нигер, перебив 15 боевиков, без проблем взял аэропорт Гао. Рано утром 27 января франко-малийские силы заняли город после небольших перестрелок. Большая часть исламистов ушла из города, остальные смешались с местным населением. Ударный вертолет Eurocopter Tiger накрыл отступающую колонну противника, уничтожив два внедорожника и с десяток боевиков. Потери французов в ходе битвы за Гао — двое раненых.

Но основной удар тактической группы 21-го полка (600 бойцов) наносился в направлении Тимбукту. Город был взят 28 января в результате стремительного броска наземных сил (900 км за пять дней по заболоченной местности), поддержанного парашютным десантом — рота 2-го парашютно-десантного полка Иностранного легиона и подразделения 17-го парашютного инженерного полка. Со взятием Гао и Тимбукту цель первого этапа наступления на севере была достигнута — джихадисты потеряли контроль над прикрывавшей их рекой Нигер и плацдарм для контрнаступления на юг.

Развивая успех, франко-малийские силы двинулись в глубь Сахары на север. Вскоре в игру вступила чадская армия, начав наступление со стороны Менаки. 31 января союзники взяли Кидаль. Французский спецназ захватил городской аэродром, высадившись с вертолетов. 8 февраля был занят Тессалит, в этом случае спецназовцы десантировались на парашютах. Боевики серьезного сопротивления не оказывали, при этом французские части были весьма легко вооружены. Основная часть пушечных бронеавтомобилей, бронетранспортеры и самоходная артиллерия прибыли в район боевых действий уже после захвата этих городов. Каждый раз после захвата очередного города на его аэродроме высаживались французские инженерные части для быстрого восстановления и расчистки взлетно-посадочной полосы, что было критически важно для наращивания сил посадочным способом и организации снабжения воздушным путем удаленных группировок войск.

Боевики отошли в горы Адрар-Ифорас, где были созданы базы, склады вооружений, боеприпасов, топлива и продовольствия. Уже 10 февраля они попытались провести контратаку. Отряд в несколько десятков исламистов, переправившись через Нигер, просочился в Гао. Сражение развернулось днем в районе центрального полицейского участка, вскоре бои шли по всему городу. Было несколько попыток атак малийских блокпостов террористами-смертниками. Французские вертолеты поддержали огнем малийские части. Базировавшаяся на аэродроме 2-я французская тактическая группа (900 человек) активного участия в битве за Гао не принимала. Исламисты действовали как отряд смертников и не планировали отход. Все они были уничтожены или взяты в плен к утру следующего дня. Следующее нападение боевиков было более масштабным и лучше спланированным. Ночью 20 февраля им удалось захватить здание муниципалитета и ряд административных зданий в центре города. Малийские части блокировали центр, однако, наткнувшись на огонь крупнокалиберных пулеметов и гранатометов, на штурм не пошли. В этот раз французы вступили в бой. 200 бойцов 92-го пехотного полка на бронетранспортерах VAB и VBCI выдвинулись с аэродрома. Огонь из всего имеющегося вооружения трех рот БТР VBCI и ракетные удары двух вертолетов Gazelle решили дело. Французов поддержали также туареги полковника Аг Гаму. Из 40 боевиков почти половина была перебита, остальным удалось уйти.

Заключительный этап кампании — операция по прочесыванию труднодоступного горного массива Адрар-Ифорас — получил название Panthère. Она проводилась с 18 февраля по 25 марта. К ней были привлечены две французские тактические группы (1,2 тысячи человек) — механизированная на AMX-10RC и преимущественно из спешенных парашютистов, а также 800 чадских военнослужащих на модернизированных боевых машинах пехоты БМП-1У, закупленных на Украине. Группировка авиаподдержки, помимо самолетов, включала 12 вертолетов. Французы могли рассчитывать на малийскую армию и подразделения туарегов из НДОА и Исламского движения Азавада (ИДА), которые достигли соглашения с центральным правительством Мали.