Từ đồng bằng, nơi tập trung các nguồn vật lực của phong trào kháng chiến, đến Điện Biên Phủ cần phải vượt khoảng cách 500 km theo các con đường mòn băng qua núi cao, rừng rậm. Cả lương thực, cả vũ khí đều được chuyển ra mặt trận chủ yếu bằng gồng gánh, xe thồ, thuyền, bè nhỏ, hiếm lắm mới bằng xe tải. Công việc còn phức tạp hơn vì Điện Biên Phủ là khu vực lòng chảo, tứ bề xung quanh được che chắn bởi các dãy núi cao hơn 1000 m. Cần phải kéo các khẩu pháo hạng nặng lên đỉnh núi, sau đó lại phải hạ chúng xuống thung lũng đến những vị trí cắm chốt dưới làn bom đạn oanh tạc của pháo binh, không quân kẻ thù. Quân đội Việt Nam, vốn không được trang bị kỹ thuật hiện đại, đứng trước những khó khăn, thử thách tưởng như không thể vượt qua. Tháng 2 năm 1954 tướng Mỹ O’Daniel đi thị sát cứ điểm này. Sau khi xem xét các vị trí, viên tướng đã tuyên bố sự “hài lòng đặc biệt” của mình về viễn cảnh cuộc chiến. Rồi với tâm trạng thoải mái, ngày 12 tháng 3, một ngày trước khi chiến dịch Điện Biên Phủ bắt đầu, Bộ chỉ huy Pháp điều tới Quy Nhơn lực lượng đáng kể để chuẩn bị cho chiến dịch “Atlante". Như vậy, lực lượng quân dự phòng đã được điều đến không đúng vùng hoạt động.
Ngày 13 tháng 3 quân Việt Nam bắt đầu tấn công Điện Biên Phủ, trước tiên là vào một trong số cứ điểm đề kháng - đồi Him Lam.
Việc này hoàn toàn bất ngờ đối với người Pháp, vốn không bao giờ nghĩ rằng vũ khí hạng nặng lại có thể chuyển qua núi cao rồi lại được nguỵ trang giỏi như vậy. Thật không tưởng khi quân đội Việt Nam chỉ trong một thời gian rất ngắn lại có thể huấn luyện được những pháo thủ giỏi đến thế. Chỉ sau vài giờ cứ điểm Him Lam đã thất thủ. Ngày 14 tháng 3 cứ điểm đề kháng thứ 2 - đồi Độc Lập cũng bị tiêu diệt, còn ngày 17 tháng 3 cánh quân bảo vệ vị trí Bản Kéo, cũng thuộc phân khu phòng thủ phía bắc, đã đầu hàng. Các cứ điểm mang những cái tên phụ nữ ái mộ của các tướng lĩnh Pháp (“Marie”, "Isabelle” …) lần lượt bị tiêu diệt.
Chỉ còn lại phân khu trung tâm Mường Thanh và phân khu phía nam Hồng Cúm. Để tiếp cận đến đó phải vượt qua vùng đất bằng được “rà soát” bởi lưới lửa dày đặc của pháo và xe tăng địch. Lực lượng công binh Việt Nam đã đào mạng lưới giao thông hào và đường hầm và mỗi ngày tiến lại một gần các chốt địch. Tổng cộng có tới hơn 100 km giao thông hào và đường hầm được đào, khoét. Vòng vây khép dần lại xung quanh cứ điểm mà chỉ có thể tiếp viện được bằng đường hàng không. Cùng thời gian đó tình hình quân Pháp trên các mặt trận khác - đồng bằng Bắc bộ và cao nguyên Trung phần cũng xấu đi rất nhanh.
Lo lắng, Bộ chỉ huy Pháp cử tướng Ely sang Washington xin cứu viện. Với sự đồng ý của Tổng thống Eisenhower, kế hoạch giải thoát Điện Biên Phủ có tên “Chim kền kền” được vạch ra. Theo kế hoạch này, không quân Mỹ sẽ oanh tạc dồn dập các vị trí của Quân đội nhân dân Việt Nam.
Ngày 30 tháng 3. Mọi khâu chuẩn bị đã hoàn tất. Kháng chiến bắt đầu đợt sóng tấn công thứ 2, chiếm các cứ điểm phía đông phân khu trung tâm. Các trận đánh chiếm các cứ điểm phòng thủ then chốt diễn ra hết sức khốc liệt. Đặc biệt cứ điểm tại đồi A1 và C1 bị giành đi, cướp lại nhiều lần. Đến cuối tháng 4 bộ đội Việt Nam đã đào đường hào tới sân bay trung tâm, nơi tiếp nhận hàng cứu viện cho Điện Biên Phủ. Quân Pháp tổ chức các đợt phản công tuyệt vọng, cố giành lại các khu vực này, nhưng thất bại. Số lượng lớn lương thực và vũ khí, khí tài người Pháp thả dù xuống lại rơi vào các vị trí của người Việt Nam. Không quân Pháp tăng cường các chuyến bay oanh tạc giới tuyến mặt trận và đường giao thông của các đội quân kháng chiến. Nhưng các chiến sỹ Việt Nam vẫn giữ chắc các cứ điểm đã chiếm được, còn các đoàn dân công vẫn tiếp tục chuyển tới mặt trận tất cả những thứ cần thiết. Ngày 15 tháng 4 một nhóm sỹ quan cao cấp Mỹ tới Hà Nội để thảo luận việc triển khai kế hoạch “Chim kền kền”. Các bên đã nhận thức được rằng, sự can thiệp của không quân Mỹ không thể xoay chuyển được tình thế ở Điện Biên Phủ. Kế hoạch “Chim kền kền” bị huỷ bỏ…
***
Ngày 1 tháng 5 bắt đầu giai đoạn 3, giai đoạn kết thúc của đợt tấn công. Đồi A1, C1 và nhiều cứ điểm khác hoàn toàn rơi vào tay lực lượng kháng chiến. Chiều ngày 7 tháng 5, sau những đợt tấn công dồn dập quân đội Việt Nam đã chiếm được vùng trung tâm của tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ, nơi có sở chỉ huy quân đội Pháp. Toàn bộ nhóm chỉ huy, đứng đầu là tướng de Castries bị bắt làm tù binh. Cũng đêm đó Quân đội nhân dân Việt Nam chiếm nốt phân khu phía nam. Cuộc chiến lớn nhất kết thúc bằng chiến thắng hoàn toàn của Quân đội nhân dân Việt Nam. Hơn 16 ngàn binh lính và sỹ quan thành tù binh, trong đó có một tướng và 16 đại tá…
Trong chiến dịch Đông Xuân 1953-1954 các trận giao chiến ác liệt xảy ra trên khắp các mặt trận. Tại vùng cao nguyên Trung phần quân đội Việt Nam đã tiêu diệt hoàn toàn trung đoàn số 100 mà Pháp điều đến từ Triều Tiên. Chiến tranh du kích ở đồng bằng sông Mekong và sông Hồng, ở các tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên đạt tới quy mô sánh được với các chiến dịch của quân chủ lực. Tổng thiệt hại của Quân đội viễn chính Pháp và quân đội bù nhìn tới 112 ngàn binh lính và sỹ quan, 117 máy bay và nhiều khí tài quân sự khác.
Thất bại tại Điện Biên Phủ và tại các mặt trận khác vào đông xuân 1953-1954 buộc chính phủ Pháp phải ngồi xuống bàn đàm phán hoà bình. Tâm trạng phản chiến thậm chí còn bao trùm tất cả lực lượng cánh hữu trong xã hội Pháp.