Thực hiện quyết tâm của Bộ Chính trị Trung ương Đảng tiêu diệt toàn bộ quân địch ở tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ, công việc chuẩn bị cho chiến dịch được ráo riết tiến hành từ cuối năm 1953. Chủ tịch Hồ Chí Minh Chỉ thị: "Chiến dịch này là một chiến dịch quan trọng không những về quân sự mà cả về chính trị, không những đối với trong nước mà đối với quốc tế. Vì vậy, toàn quân, toàn dân, toàn Đảng phải tập trung hoàn thành cho kỳ được". Trung ương Đảng quyết định thành lập Đảng uỷ và Bộ Chỉ huy mặt trận Điện Biên Phủ do đồng chí Võ Nguyên Giáp, Uỷ viên Bộ Chính trị Trung ương Đảng, trực tiếp làm Bí thư Đảng uỷ và Chỉ huy trưởng mặt trận. Cùng với đó, Chính phủ quyết định tổ chức Hội đồng cung cấp Mặt trận Trung ương do Phó Thủ tướng Phạm Văn Đồng làm Chủ tịch và Hội đồng cung cấp Mặt trận các cấp.

Với khẩu hiệu "Tất cả cho mặt trận, tất cả để chiến thắng”, nhân dân ta đã dồn hết sức người, sức của cho chiến dịch. Đầu tháng 3-1954, công tác chuẩn bị mọi mặt cho chiến dịch đã hoàn thành.

Ngày 13-3-1954, quân ta nổ súng mở đợt tiến công thứ nhất vào tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ. Sau 5 ngày chiến đấu, ta đã tiêu diệt nhanh gọn hai cứ điểm kiên cố bậc nhất của địch (Him Lam và Độc Lập), sau đó, làm tan rã thêm một tiểu đoàn địch và tiêu diệt cứ điểm Bản Kéo. Ta diệt và bắt sống 2.000 tên địch, bắn rơi 12 máy bay, mở thông cửa vào trung tâm tập đoàn cứ điểm, uy hiếp sân bay Mường Thanh, giáng một đòn choáng váng vào tinh thần binh lính địch. Trong đợt tiến công mở đầu này, Phan Đình Giót đã nêu gương chiến đấu dũng cảm, lấy thân mình lấp lỗ châu mai tạo điều kiện cho toàn đơn vị tiến lên tiêu diệt địch.

Ngày 16-3-1954, địch cho 3 tiểu đoàn nhảy dù xuống tăng viện cho tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ. Tiếp đến, ngày 30-3-1954, ta mở đợt tiến công thứ hai đánh đồng loạt các ngọn đồi phía đông của phân khu trung tâm. Đánh vào khu đông, ta tiêu diệt 2.500 tên địch, chiếm lĩnh phần lớn các điểm cao quan trọng ở phía đông, củng cố từ trên đánh xuống, tạo thêm điều kiện chia cắt, bao vây, khống chế địch, chuyển sang tổng công kích tiêu diệt địch.

Để tăng cường cho Điện Biên Phủ, thực dân Pháp đã tập trung hầu hết máy bay chiến đấu, máy bay vận tải ở Đông Dương cho mặt trận. Đế quốc Mỹ tăng viện gấp cho Pháp 100 máy bay oanh tạc chiến đấu, 50 máy bay vận tải và cho Pháp mượn 29 máy bay C119 có cả người lái; lập cầu hàng không chở dù từ Nhật và Mỹ sang mật trận Điện Biên Phủ. Đế quốc Mỹ còn đưa 2 tàu sân bay vào vịnh Bắc Bộ diễn tập "đổ bộ ào ạt vào Đông Dương".

Về phía ta, qua hai đợt chiến đấu, lực lượng không ngừng được củng cố. Bộ đội ta đã có những cố gắng phi thường, chiến đấu dũng cảm, lập nhiều chiến công rực rỡ. Tuy vậy, do cuộc chiến đấu liên tục, kéo dài và ác liệt, khó khăn về cung cấp tiếp tế cũng tăng thêm nên đã phát sinh tư tưởng tiêu cực, ngại thương vong, mệt mỏi.

Thực hiện chỉ thị của Bộ Chính trị, một đợt sinh hoạt chính trị được tiến hành sâu rộng từ các cấp uỷ đến chi bộ, từ cán bộ đến chiến sĩ trong tất cả các đơn vị trên toàn mặt trận. Tư tưởng hữu khuynh tiêu cực bị phê phán sâu sắc tinh thần triệt để cách mạng, tinh thần quyết chiến, quyết thắng được phát huy mạnh mẽ.

Ngày 1-5-1954, ta mở đợt tiến công thứ ba. Quân ta lần lượt đánh chiếm những cứ điểm còn lại ở phía đông và phía tây, bẻ gãy những cuộc phản kích của địch. Ngày 4-5-1954, địch thả tiểu đoàn dù dự bị cuối cùng xuống Điện Biên Phủ. Ngày 7-5-1954, bộ đội ta phất cao cờ chiến thắng, tiến thẳng vào sở chỉ huy địch, tướng Đờ Cáttơri (De Castries) và toàn bộ tham mưu tập đoàn cứ điểm bị bắt sống.

Sau 55 ngày đêm chiến đấu vô cùng anh dũng, chiến dịch lịch sử Điện Biên Phủ đã toàn thắng. Ta tiêu diệt và bắt sống 16.200 tên địch, gồm 21 tiểu đoàn, trong đó có 17 tiểu đoàn bộ binh cơ động chiến lược, 3 tiểu đoàn pháo binh, 1 tiểu đoàn công binh, 1 đại đội xe tăng, 353 sĩ quan từ thiếu uý đến thiếu tá, 16 trung tá và đại tá, 1 thiếu tướng. Tổng cộng, số lượng địch bị tiêu diệt và bắt sống tại Điện Biên Phủ bằng 4% quân số địch ở Đông Dương, 20% lính Âu - Phi. Ta hy sinh 4.200 đồng chí, mất tích 792 đồng chí, bị thương 9.118 đồng chí. Ta thu được 28 khẩu pháo, 5.915 khẩu súng lớn nhỏ, 3 xe tăng, 64 ô tô, 43 tấn dụng cụ thông tin, 20 tấn thuốc quân y, 40 tấn đồ hộp, 40.000 lít xăng dầu, bắn rơi 62 máy bay các loại. Tại các chiến trường phối hợp trong toàn quốc, ta tiêu diệt 126.070 tên địch.

Đây là chiến dịch tiến công hiệp đồng binh chủng quy mô lớn nhất của quân đội ta trong kháng chiến chống thực dân Pháp, góp phần quyết định làm phá sản kế hoạch Nava của thực dân Pháp và can thiệp Mỹ, là chiến thắng có ý nghĩa quyết định đối với thắng lợi của cuộc kháng chiến chống Pháp, một chiến công vĩ đại trong lịch sử chống ngoại xâm của dân tộc, cổ vũ phong trào chống chủ nghĩa thực dân, giải phóng dân tộc trên thế giới.