Đợt tấn công cuối cùng trong chiến dịch Điện Biên Phủ kéo dài trong 7 ngày từ 01/5 đến 07/5/1954 đánh dấu kết thúc của cuộc kháng chiến chống Pháp xâm lược của Nhân dân ta, trở thành chiến thắng "chấn động địa cầu", dẫn đường cho phong trào giải phóng dân tộc trên thế giới.
Đến cuối tháng 4/1954, chiến dịch Điện Biên Phủ đã diễn ra gần 50 ngày, ta đã dành được những thắng lợi quan trọng để có thể kết thúc trận đấu. Nếu như đợt tiến công đầu tiên ta mở cửa ở những vị trí vòng ngoài phía Bắc và Đông Bắc, cũng là thăm dò sức mạnh của Tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ, từ đó có những phương án chiến đấu phù hợp. Đợt tấn công thứ hai, ta tiêu diệt được nhiều vị trí quan trọng tại phân khu trung tâm ngoại trừ cứ điểm A1 (do vấp phải hỏa lực mạnh của Pháp); xóa sổ Sân bay Mường Thanh, cắt đứt con đường tiếp tế duy nhất của chúng và làm tiêu hao nhiều sinh lực địch. Đợt tấn công thứ ba, cũng là đợt tấn công cuối cùng, có tính chất quyết định, ta tiến hành tổng công kích trên toàn mặt trận, dành thắng lợi cuối cùng.
Công tác chuẩn bị cho đợt tấn công cuối cùng được chuẩn bị kỹ lưỡng, chu đáo. Các chiến hào được củng cố tới mức bộ đội có thể di chuyển ban ngày ngay gần quân địch, cho phép các đơn vị mỗi khi tiến đánh một vị trí, nhanh chóng bỏ qua giai đoạn đột phá tiền duyên. Công tác hậu cần dự trữ đủ cho tháng 5. Lực lượng được củng cố bằng chiến sĩ mới, chiến sĩ vừa điều trị khỏi vết thương, qua đợt học tập chính trị có niềm tin vững chắc vào thắng lợi cuối cùng. Hỏa lực được tăng cường, khoảng 5.400 viên đạn cho lựu pháo (chiến lợi phẩm thu được của địch ở các mặt trận) và hai dàn hỏa tiễn sáu nòng đã sẵn sàng, kịp thời bổ sung cho mặt trận (chỉ trong mười ngày ta đã xây dựng xong một tiểu đoàn DKZ 75 và một tiểu đoàn H6 (hỏa tiễn) do trung đoàn 676 phụ trách).
Đợt tấn công lần ba sẽ mang tính chất quyết định trong toàn bộ chiến dịch. Sau hơn một tháng đánh A1, ta không thể giải quyết dứt điểm cứ điểm này do chưa nghiên cứu kỹ trận địa trên A1, không phát hiện được hầm ngầm của chúng nên không dự kiến cách giải quyết, và đây trở thành vấn đề nhức nhối, khó khăn nhất trong đợt hai. Kế hoạch “Lấy hầm trị hầm” được vạch ra, việc đào đường hầm để đưa bộc phá nghìn cân vào phá sào huyệt được đề xuất bởi Trung đoàn 174 và đây sẽ là một kỳ công, một bất ngờ ta dành cho Pháp trên cao điểm quan trọng này. Sau khi đánh chiếm A1 và C1, tạo điều kiện ta đánh chiến những cứ điểm cuối cùng phía Tây và phía Đông, chuẩn bị cho tổng công kích sẽ là mục tiêu chính trong đợt tấn công thứ ba. Nhiệm vụ được trao cho các đơn vị như sau:
- Đại đoàn 316, được phối thuộc Trung đoàn 9 của Đại đoàn 304 (thiếu một tiểu đoàn), tiêu diệt A1, C1 và C2.
- Đại đoàn 312 tiêu diệt các cứ điểm: 505, 505A, 506, 507, 508 ở phía Đông, tiến sát bờ sông Nậm Rốm.
- Đại đoàn 308 tiêu diệt các cứ điểm 311A, 311B ở phía Tây.
- Đại đoàn 304: Trung đoàn 57 được phối thuộc một tiểu đoàn của Trung đoàn 9, cử một tiểu đoàn chốt chặn trên đường đi Tây Trang không cho quân địch rút chạy sang Lào, siết chặt vòng vây chung quanh Hồng Cúm, tập kích trận địa pháo binh, tiêu diệt khu C Hồng Cúm.
- Đại đoàn 351 phối hợp với bộ binh trong các trận đánh điểm và đánh phản kích.
17 giờ chiều ngày 01/5/1954, bằng việc chỉ huy pháo đồng loạt nhả đạn vào nhiều vị trí của Tập đoàn cứ điểm, ta chính thức bắt đầu đợt tấn công cuối cùng của chiến dịch Điện Biên Phủ lịch sử. Cụm pháo Hồng Cúm bị kiềm chế, kho đạn với 3.000 viên đạn dự trữ của địch nổ tung, kho lương thực thực phẩm bốc cháy. Sau gần một giờ pháo kích, các đơn vị xung phong tiến đánh nhiều vị trí.
Tại phía Đông, số pháo đặt trên Đồi D1 nhắm từng hỏa điểm trên C1 bắn rất chính xác, sau đó 98 tiến công cứ điểm C1 lần thứ hai, đến nửa đêm toàn bộ quân địch bị tiêu diệt. Sau hơn ba chục ngày đêm liên tục chiến đấu, trận đánh tại C1 lúc này đã kết thúc. C2 nằm gọn dưới nòng pháo không giật của ta. Phía Đông sông Nậm Rốm, hai tiểu đoàn 166 và 154 của trung đoàn 209 tiến công các cứ điểm 505 và 505A (Dominique 3). Ta và địch giành giật nhau từng ụ súng, từng chiến hào. 2 giờ sáng ngày 02/5, Trung đoàn 209 tiêu diệt hoàn toàn hai cứ điểm này, chấm dứt sự tồn tại của Trung tâm đề kháng Dominique. Trên cánh đồng phía Tây, trận đánh tiêu diệt cứ điểm 311A (Huguette 5) của Trung đoàn 88 diễn ra rất nhanh chóng. Như vậy, ngay trong đêm đầu của đợt tấn công thứ ba, địch đã mất thêm bốn cứ điểm: C1, 505, 505A ở phía đông, và 311A ở phía Tây. Tại Hồng Cúm, trận vây ép đánh lấn khu C của Trung đoàn 57 đã tiêu hao nhiều binh lực địch, nên sáng ngày 02/5, địch phải rút chạy khỏi đây. Lúc này những đường hào thọc sâu của bộ đội ta trên cánh đồng phía Tây đều hướng về phía Sở chỉ huy của De Castries. Tập đoàn cứ điểm khổng lồ của Pháp trước đó giờ co cụm lại trong một diện tích vô cùng nhỏ bé trong cái "ô vuông cuối cùng''.
Đêm ngày 04/5, trên cánh đồng phía Tây, sau khi tiêu diệt 311A, đại đoàn 308 tịếp tục đánh 311B (Huguette 4) ở phía trong. Trung đoàn 36 tiêu diệt một đại đội gồm lính Lê dương và lính Marốc, đưa trận địa tới gần trung tâm đề kháng Lili (Lilie, từ Claudine mới tách ra), tấm bình phong cuối cùng che chở cho Sở chỉ huy De Castries ở hướng này. Buổi sáng, địch phản kích chiếm lại nhưng thất bại.
Ngày 05/5, Trung đoàn 174 báo cáo đường hầm ở A1 đã hoàn thành. Trong đêm, khoảng 960kg thuốc nổ chia thành những gói nhỏ hơn được đưa vào đặt dưới hầm ngầm của địch.
Địch có dấu hiệu bỏ trận địa, chúng dự kiến tăng viện thêm lính dù, thực hiện một cuộc phá vây, chỉ giữ lại một lực lượng nhỏ cầm cự. Tại hội nghị Gionever cách đó hơn 10.000km, vấn đề Đông Dương sắp được bàn bạc. Bộ chỉ huy Mặt trận quyết định đẩy nhanh cuộc chiến đấu, chuẩn bị mọi điều kiện sớm chuyển sang tổng công kích. Tiếng nổ của khối bộc phá trên đồi A1 được chọn làm hiệu lệnh xung phong cho đợt tấn công tối 06/5.
20 giờ, hỏa lực của ta tập trung bắn vào A1, C2, cứ điểm 506, Bắc Mường Thanh, cứ điểm 310, Tây Mường Thanh. Lần này có thêm sự phối hợp của 12 dàn hỏa tiễn sáu nòng. Mặc dù độ tản xạ còn cao, những đuôi lửa, tiếng rít và tiếng nổ dữ dội của loại vũ khí mớ này đã làm cho quân đồn trú sống trong những công sự đắp đất đã bị mưa làm suy yếu, hoảng sợ. Đợt pháo kích kéo dài 45 phút. Địch phản ứng yếu ớt, nhưng chúng đã có chuẩn bị. Khi pháo ta vừa ngừng bắn, tất cả những khẩu pháo còn lại của tập đoàn cứ điểm tập trung trút đạn xuống những trận địa chiến hào của ta xung quanh A1 và C2.
Đúng thời điểm quyết định, 20 giờ 30 phút, khối bộc phá được điểm hỏa gần đỉnh đồi. Một tiếng nổ trầm không được như mong đợi phát ra từ phía A1. Một cột khói lớn bốc lên cao cách hầm ngầm không xa. Khối bộc phá tiêu diệt được một đại đội địch và làm nhiều lính Pháp bị thương. Ta đã tạo ra được một lợi thế trên tuyến ngang đồi, tạo thời cơ cho các chiến sĩ Trung đoàn 174 tiến lên đánh chiếm hầm chỉ huy cứ điểm. Tại đây cuộc chiến diễn ra bằng tất cả những gì hai bên có: bằng lưỡi lê, lựu đạn, tiểu liên trên từng chiến hào, ụ súng. Địch liên tiếp tăng viện cho A1 nhưng con đường lên đồi đã bị ta chốt chặt với việc triệt hạ lô cốt cây đa cụt, bảo vệ cứ điểm từ hướng Tây Bắc vào lúc 1 giờ 30 phút sáng. Cuộc chiến ở đây kéo dài thêm ba giờ đồng hồ nữa, trước khi địch có những hành động tiếp theo lúc trời sáng, ta đã hoàn toàn làm chủ cứ điểm A1. Đến lúc này ta đã tiến công, phòng ngự trên đồi A1 39 ngày đêm, loại 4 tiểu đoàn, đánh thiệt hại nặng 3 tiểu đoàn cơ động của địch, diệt 825 tên địch.
Trong đêm, cũng ở phía Đông, Trung đoàn 165 của 312 đã tiêu diệt 506 (Eliane 10), cứ điểm rất quan trọng nằm bên đường 41 chạy tới sở chỉ huy của De Castries. Tiểu đoàn 215 của 98 đã mở nhiều đợt xung phong chiếm cứ điểm C2. Cuộc chiến đấu kéo dài tới sáng. 7 giờ 30 phút, Tiểu đoàn 215 và Đại đội 138 của Tiểu đoàn 375 chia làm ba mũi xung phong lên C2, lần lượt đánh chiếm từng mục tiêu. 9 giờ 30 phút, bộ đội ta hoàn toàn làm chủ đồi C2. Cuộc chiến đấu trên những ngọn đồi phía Đông đã kết thúc. Cả khu trung tâm nằm gọn dưới hỏa lực bắn thẳng của ta.
Ngay sau đó ta tiếp tục tiêu diệt nốt các cứ điểm 506, 507, 508, 509 (cứ điểm cuối cùng bảo vệ cầu Mường Thanh) gây nên những thiệt hại nặng nề với địch tại khu trung tâm.
Đúng 3 giờ chiều, các đại đoàn được lệnh: "Không cần đợi trời tối, lập tức mở cuộc tổng công kích vào Mường Thanh. Đơn vị phía Đông đánh thẳng vào khu vực trung tâm, đơn vị phía Tây giáp công sang, cùng tiến vào sở chỉ huy của địch. Phải đánh thật mạnh, bao vây thật chặt, không để cho De Castries hoặc bất cứ tên địch nào chạy thoát".
Lực lượng của ta chia làm các mũi tấn công, nhằm thẳng hướng hầm chỉ huy Tập đoàn cứ điểm thẳng tiến. Đại đoàn 312 đánh phía Đông vượt cầu Mường Thanh; Đại đoàn 308 đánh phía Tây mở đường qua sân bay; một mũi tấn công từ hướng Tây Nam do Đại đoàn 316 đảm nhiệm. Các mũi tấn công như những gọng kìm siết chặt vòng vây, vượt qua những làn đạn yếu ớt của quân thù tiến thẳng vào Sở chỉ huy GONO, tổ xung kích của đồng chí Tạ Quốc Luật (Đại đội trưởng Đại đội 360, Trung đoàn 209, Đại đoàn 312) gồm 2 chiến sỹ Hoàng Đăng Vinh, Bùi Văn Nhỏ xông vào hang ổ cuối cùng của địch. Tạ Quốc Luật hạ lệnh cho địch bằng tiếng Pháp: "Giơ tay lên hạ vũ khí xuống các ông đã bị bắt. . ." Toàn bộ sỹ quan Pháp giơ tay xin hàng, riêng De Castries cố xé những tài liệu cuối cùng.
5 giờ 30 phút chiều, Đại đoàn 312 báo cáo lên: "Toàn bộ quân địch tại khu trung tâm đã đầu hàng. Đã bắt được tướng De Castries"
Sau khi đối chiếu ảnh, kiểm tra căn cước, phù hiệu, tin chiến thắng tại Điện Biên Phủ lan truyền nhanh chóng tới khắp mọi nơi, ra thế giới.
Cuộc chiến đấu vẫn chưa kết thúc. Quân địch ở Hồng Cúm do chỉ huy Pháp ở Hà Nội điều hành, vẫn cố chống trả quyết liệt hòng tìm cách rút lui. Bằng cách dùng loa kêu gọi đầu hàng, ta cố tránh những thương vong không cần thiết trong tư thế chiến thắng, tuy nhiên địch vẫn ngoan cố. Ta cho pháo bắn mạnh vào các công sự trong các cứ điểm, Lalăng (chỉ huy phó của tập đoàn cứ điểm, đặc trách phân khu Hồng Cúm) đã ra lệnh cho tất cả binh lính chạy ra chung quanh cứ điểm để tránh pháo. 24 giờ, toàn bộ quân địch ở Hồng Cúm bị bắt giữ, trong đó có cả Lalăng.