Đêm 12 rạng ngày 13/12/1974, trong lúc các đơn vị chủ lực bí mật hành quân về hướng Bù Đăng - đường 14 thì các đơn vị của tỉnh gồm Tiểu đoàn 208, các đơn vị đặc công U₁₁ và U₁₃ đồng loạt nổ súng tiêu diệt chi khu "Bù Đốp lưu vong" ta vừa chiếm giữ trận địa vừa truy quét địch xung quanh, vừa nghi binh kéo địch để tạo điều kiện cho bộ đội chủ lực tập trung vào các hướng tiến công chủ yếu. Trong khi đó, ngày 14/12/1974, ở hướng Bù Đăng - đường 14, các đơn vị chủ lực cùng với lực lượng địa phương tiến công giải phóng chi khu quân sự Đức Phong. Những ngày kế tiếp đó, ta tiếp tục giải phóng đoạn đường 14 từ Đức Phong đến yếu khu Bù Na, tiến công uy hiếp Đồng Xoài, giải phóng vùng Đông Nam Phước Long rộng lớn với hơn 14.000 dân, phá tan tuyến phòng thủ phía Nam.

Ngày 17/12/1974, địch đưa 2 tiểu đoàn đến tái chiếm chi khu "Bù Đốp lưu vong", lực lượng ta chiến đấu quyết liệt với địch. Đến ngày 22/12, ta hoàn toàn làm chủ trận địa và tiêu diệt thêm các đồn Thác Mơ, Phước Quả, Phước Tín, Phước Lộc… Sau trận đánh, Tỉnh ủy Bình Phước thành lập Tiểu đoàn Bà Rá.

Ngày 26/12/1974, ta nổ súng tiến công chi khu quân sự Đồng Xoài. Đúng 5 giờ sáng, quân ta nổ súng tấn công, đến 8 giờ 35 phút ta làm chủ được chi khu. Quân ta tiếp tục truy quét địch 15 giờ cùng ngày thì hoàn toàn làm chủ khu vực Đồng Xoài. Đồng Xoài bị thất thủ, Phước Long bị bao vây cô lập.

Trước tình hình đó, Bộ chỉ huy Quân đoàn 3 địch và tiểu khu Phước Long xác định thế phòng thủ là “kiềng ba chân” gồm Phước Long, núi Bà Rá và chi khu Phước Bình. Tuyến phòng thủ này nằm trên một diện tích rộng 10 km² với 3 tuyến phòng ngự cơ bản: tuyến vành đai, tuyến kháng chính và tuyến tử thủ. Chi khu Phước Bình và sân bay Phước Bình là hai điểm tựa quan trọng của Phước Long; núi Bà Rá do một đại đội của tiểu đoàn bảo an đóng chốt là “con mắt thần” bao quát thị xã và các khu vực xung quanh. Ngoài ra, địch còn tổ chức các đơn vị ngăn chặn trên hai hướng đường 311 (Phước Yên, Phước Sơn, Phước Vĩnh) và đường 309 (Phước Lộc, Thác Mơ, Tư Hiền 1, 2) nhằm ngăn chặn quân ta tiến công vào thị xã. Chúng còn lập một hệ thống đồn bót, ấp chiến lược dày đặc ở Sơn Giang, cầu Suối Dung, Nhơn Hòa, An Lương, Tư Lập… để phòng thủ vòng ngoài. Phía trong thị xã, trung tâm phòng ngự cuối cùng của địch có nhiều vị trí trú quân, nhiều chướng ngại vật hình thành căn cứ phòng thủ hết sức kiên cố.
         
Mặc dù lực lượng địch phòng thủ đông đúc nhưng tinh thần của chúng thì đang hoang mang, rệu rã. Ngay từ những ngày đầu chiến dịch, ta đã cho pháo bắn vào thị xã, phá hủy một số công sự, làm tê liệt hệ thống thông tin liên lạc, gây cảnh hoang mang, hỗn loạn trong binh lính và sĩ quan ngụy. Nắm được tình hình đó, Quân ủy và Bộ Tư lệnh Miền hạ quyết tâm giải phóng toàn bộ tỉnh Phước Long.
         
Vào những ngày cuối tháng 12/1974, các lực lượng vũ trang của Bình Phước liên tục mở những mũi tiến công địch từ các hướng. Rạng ngày 31/12/1974 mở đầu trận quyết chiến giải phóng tỉnh Phước Long, pháo binh ta dồn dập bắn vào chi khu quân sự Phước Bình, sân bay Phước Bình và núi Bà Rá. Sau đó bộ đội chủ lực và các lực lượng vũ trang địa phương đồng loạt nổ súng tiến công vào chi khu quân sự Phước Bình và núi Bà Rá. Cuộc chiến giằng co quyết liệt giữa ta và địch diễn ra suốt ngày. Đến tối ngày 31/12, lực lượng ta liên tục tiến công, siết chặt vòng vây các mục tiêu còn lại của địch ở Phước Long.
         
Sáng 1/1/1975, quân ta với 2 mũi từ Thác Mơ, Phước Quả có pháo binh yểm trợ thọc sâu tiến công chốt cố thủ cầu Suối Dung và Tư Hiền. Cánh quân của các đơn vị Sư đoàn 7 đánh chiếm ấp chiến lược Sơn Hà, Nhơn Hòa 1, 2. Một cánh quân khác đánh chiếm đồn An Long và đồn Vạn Kiếp. Lớp vỏ ngoài của thị xã gồm hệ thống ấp chiến lược và đồn bót đã bị quân ta chọc thủng. Lúc này, vòng vây của quân ta đang dần dần siết lại. Các điểm cố thủ chính của quân địch hầu như bị tê liệt, không còn khả năng chống trả.
         
Ngày 2/1/1975, một đơn vị chủ lực của ta đánh chốt hướng Tây Bắc sân bay Phước Bình và các ấp chiến lược xung quanh, chiếm lĩnh luôn trận địa. Ngày 3/1, lực lượng ta tiếp tục phá vỡ tuyến phòng thủ phía Nam thị xã, đưa lực lượng đột nhập vào khu chợ, sân vận động, bến xe,… để tiêu diệt địch. Các đơn vị chủ lực có xe tăng tăng cường đánh vào các mục tiêu: dinh tỉnh trưởng, tiểu khu mới, tiểu khu cũ, tòa hành chánh và nhiều khu vực trong thị xã.
         
Sáng ngày 6/1, đúng như hiệp đồng đã thỏa thuận, quân ta đồng loạt nổ súng tiến công trên tất cả các hướng. Trước sự tấn công mãnh liệt của quân ta, cuối cùng tất cả các mục tiêu trong thị xã đều bị quân ta tiêu diệt. Đến 9 giờ sáng ngày 6/1, lá cờ chiến thắng của quân ta tung bay trên nóc nhà “Dinh tỉnh trưởng”. Quân ta được sự hướng dẫn của nhân dân tiếp tục truy quét các nhóm tàn quân địch đang lẩn trốn. Các mũi vũ trang còn lại tiếp tục nổ súng tiến công tiêu diệt các mục tiêu còn lại trong thị xã. Đến 19 giờ ngày 6/1/1975, thị xã Phước Long được hoàn toàn giải phóng.