武元甲利用4月中旬的幾個星期穩步地把塹壕挖至卡斯特裏的司令部和法軍主要防線附近。處境孤立的伊莎貝爾據點雖然被四麵包圍，但仍在頑強堅守。越盟從老撾和其它地方調來了新部隊，訓練營地的後備隊也被調來充實部隊，為下一步大舉進攻做準備。越盟要求中國提供720噸彈藥和1個高射炮團。武元甲計劃投入3.5萬名步兵，1.2萬名炮兵、工兵、通信兵和其他小分隊。奠邊府防禦部隊掘壕固守，準備全力頂住即將來臨的攻擊。
4月間，在對“五高地”的進攻大部受阻之後，越盟集中力量進攻於蓋特據點北邊的3個支撐點和仍在法國人手中的部分機場(主要空投區)。在“五高地之戰”進行之時，這裏的戰鬥就已經開始。相對平息近1個月之後，戰鬥重新開始，並成為迄今為止最激烈的戰鬥。法軍寡不敵眾，援軍的數量遠遠不夠。4月28日於蓋特據點的3個規模不大但很重要的支撐點失守，越南人又攻占了機場的一部分。法軍傷亡500人，其中包括精銳的外籍軍團傘兵。但越盟付出的代價更大，損失3個團的大部分兵力。對武元甲來講，這隻不過是暫時受挫，但他需要一周時間補充彈藥和兵力，以便發動他所設想的決定性進攻。
醞釀已久的“孔多行動”計劃，原來是為追擊被奠邊府積極頑強的防衛力量所擊潰的越盟軍隊而製定的。但到4月份，該計劃不得不改為竭盡全力營救奠邊府守軍的應急計劃。老撾法軍指揮官克雷佛克上校在納瓦爾指揮下負責實施該項計劃，但該計劃很快由於高級軍官的反對而陷入困境。
4月初，如果部隊行動迅速，科尼也會承認此計劃的有用之處。但納瓦爾耽擱了時間，因為他在增派更多部隊去奠邊府解圍的問題上猶豫不決。這時，科尼與納瓦爾關係已經很僵。4月14日，科尼告訴卡斯特裏救援部隊正在途中，但事實並非如此。雖然克雷佛克的部分部隊已經出發，但納瓦爾到27日才下達最後命令，而且還取消了空降部隊。克雷佛克盡了最大努力加快行軍速度，但其北非和老撾部隊未受過叢林作戰訓練，無法及時突破越盟軍隊的包圍圈。
與此同時，武元甲急於速勝，這不僅因為戰鬥消耗了大量的人力、物力，而且還因為即將在日內瓦召開的國際會議討論印度支那形勢。為此，5月1日武元甲又一次組織部隊向法軍據點發動進攻。越盟不再采用蠶食戰術，而是轉為實施大規模進攻。其交通壕已挖到法軍防禦陣地邊緣，進攻前不進行炮火準備，視死如歸的越南人攜帶可塑炸藥炸毀鐵絲網和塹壕。整個戰線轉入激烈的近戰，整個戰場槍炮聲不斷。5月2日晚，越軍在埃利亞娜和於蓋特據點取得一些進展，奪取了伊莎貝爾據點的前哨陣地。但在短兵相接的白刃戰中，法軍把越軍從剛失守的陣地上趕走。這表明法軍仍有很強的戰鬥力。
法軍的末日已快來臨，這並非因為守軍已喪失勇氣和鬥誌——他們直到最後仍鬥誌昂揚，英勇奮戰——而是因為他們已彈盡糧絕。後勤保障始終是戰鬥的關鍵。隻要氣候允許法軍飛機起飛，它們就會用密集的機關炮、炸彈和凝固汽油彈打擊越南人。但越盟的人海運輸線堅不可摧，而法國人除狂轟濫炸外別無辦法。的確，5月2日至3日夜晚，殖民傘兵某營部分人員空降著陸(他們是幾天前從法國來到越南的)，可是為時太晚．毫無作用，隻不過使奠邊府行將失守的痛苦、犧牲和無效掙紮更加不堪忍受。有的指揮官比較明智，指揮該營餘下人員趕快撤離。
戰鬥的最後幾天，雨季氣候惡劣到極點，烏雲壓頂，大雨傾盆。法國空軍繼續空投物資(5月6日空投196噸)。由於法軍的地盤太小，大量的物資落入越盟手中，他們很快穿起法式軍服或頭戴美式鋼盔，向法軍進攻。
法軍被迫一寸一寸地放棄於蓋特和克洛迪娜據點的陣地。雙方進行的凶猛肉搏戰，簡直象是回到了野蠻時代。一個越盟士兵倒下，另一個士兵帶著以身殉職的狂熱又衝上來。法軍的防禦圈越縮越小。
雖然伊莎貝爾據點遭到重炮襲擊，但直至最後幾天，該據點的主陣地還沒有遭到越盟的猛烈攻擊。然而，伊莎貝爾據點內的情況有許多方麵不如其它據點。該據點的主要任務是用11門105毫米榴彈炮為主要防禦陣地提供側翼火力支援。為完成這一任務，1166人加上大炮、坦克被部署在一個十分狹小、相當潮濕的環形防禦地帶內。戰鬥一打響，守軍的小型簡易機場即被摧毀，通往奠邊府的道路被切斷，越南人包圍了該據點。據點守軍甚至連光顧兩個為提高士氣而設的妓院的福分都沒有，因為司令部故意把妓院放在比較靠北的地方。該據點守軍的生存完全依靠空投物資。但由於伊莎貝爾據點的空投區很小，空投物資丟失的比例比奠邊府主陣地大得多。
從5月1日開始，越南人將全部注意力轉向伊莎貝爾據點。後來7天的戰鬥比任何時候都要激烈，轟擊這個不大的據點的炮火非常猛烈。到5月7日下午，雖然部分支撐點被摧毀，但主陣地仍未失守。下午4時許，該據點指揮官拉朗德上校接到卡斯特裏發來的無線電報，電報說，戰鬥將於傍晚結束，拉朗德可以執行“信天翁行動”計劃。該計劃是一個撤退計劃，它要求主陣地的守軍經由伊莎貝爾據點撤離，由伊莎貝爾守軍斷後。但前沿陣地已經失守，主陣地守軍突圍已不可能。拉朗德出於對士氣的考慮，對此計劃守口如瓶。現在，他隻好在沒經過演練的情況下就按計劃撤退。晚上10時，2個連消失在夜幕中，但他們很快就被截斷，淹沒在強敵之中，變得四分五裂。有的士兵返回伊莎貝爾，小部分逃進叢林。戰鬥又持續了一段時間，但繼續抵抗下去已毫無意義。5月8日淩晨1時，拉朗德上校投降，奠邊府圍攻戰結束。
毫無疑問，越盟取得奠邊府圍攻戰的勝利，是因為武元甲指揮有方。武元甲擁有一支兵力眾多，基本上由單一民族構成的，願為自由而獻身的軍隊。然而，他的激情和精神，與他快速多變的戰術才能一樣，激勵著他的軍隊表現出不可思議的持續作戰能力和奮鬥精神。武元甲為勝利付出了極高的代價。據估計，越盟軍隊在此次圍攻戰中傷亡人數高達2.3萬人，其中死亡8000人。兵力較弱的法軍防禦部隊(其中外籍軍團的7個營占總人數的半數以上)也損失慘重，以整數計算，傷亡9000人，其中亡2000人，另外7000人在5月8日被作為俘虜押走。
奠邊府圍攻戰不是第一次越南戰爭的結束，因為戰爭後來還持續了3個月之久。法國和越盟政府均已厭倦戰爭。但越方準備頑強堅持到底，以便在談判前再占領一些地盤。武元甲當時已經擁有約9萬可用來對付法國人的第一線部隊。而法軍則在6月做出決定，更換總司令，由伊利少將接替納瓦爾。伊利指揮了最後一次戰鬥——奧韋涅戰鬥。他派兵占領了河內至海防公路以南的一個地區，形成一個國中之國。伊利麵臨許多困難，不得不發動一些小規模的非決定性戰鬥來攻打當地人的設防陣地。戰鬥很快平息下去。7月3日，法越雙方代表在中甲(在河內正北不遠)舉行會談，其中討論了交換戰俘問題。7月23日，包括越盟政府代表在內的參加日內瓦會議的代表們同意停火。因此，越盟獲得北緯16度以北的地區。老撾、柬埔寨和南越也獲得獨立。印度支那進入相對和平與幸福的時期。但不久，這種和平和幸福又一次遭到破壞。
現在看來，法軍在奠邊府圍攻戰中失敗的原因很多。有許多判斷錯誤，主要是法軍總參謀部完全錯誤地估計了越南解放軍的實力、機動能力、火力以及越盟指揮官的能力，而過高地估計了自己的炮戰能力。法軍在戰役中沒有總體指揮。納瓦爾、科尼、法伊、卡斯特裏和朗格萊都隻注重戰術問題。更糟糕的是，納瓦爾和科尼關係很僵，已經達到相互仇視的程度。
以上是戰役失敗的大體原因。具體從戰役本身來看，後勤保障無疑是決定性的因素，在這方麵越盟顯然占絕對優勢。越盟從1951年起一直采用“標致牌”自行車。這種車車座被拆掉，車架用木製撐架加固，車龍頭用竹杆加長，以便載重物時把握方向。改裝後的自行車可運載重達450磅的零散物資(一般情況下每人隻能攜帶45磅重的東西)。隻要天氣晴朗，這種車便可靈活地在叢林小路上運行。戰役的最後一個月裏，雨季來臨，自行車運輸變得異常困難(如果不是不可能的話)。可是，那時越南人已有了600輛2.5噸的俄式莫洛托夫卡車在土路或公路上行駛。負責公路保養的是一支龐大的勞動大軍。納瓦爾曾指望這些道路雨季時無法使用，從而使越盟的後勤保障象他自己的那樣發生困難，但事實與此相反。更糟的是，低雲層還在相當程度上保護了越盟運輸隊免遭法軍飛機的襲擊，同時也嚴重妨礙了法軍準確地空投物資。