Đợt 3 từ 1 tháng 5 đến 7 tháng 5, QĐNDVN đánh dứt điểm dẫy đồi phía đông và tổng tiến công tiêu diệt các vị trí còn lại. Sau khi lực lượng của Pháp đã trở nên tuyệt vọng, suy kiệt, bổ sung bằng dù không còn đủ để duy trì sức chiến đấu, và quân Pháp ở Bắc Bộ cũng đã hết lính dù và lính lê dương (légionnaire) có thể ném tiếp xuống Điện Biên Phủ, QĐNDVN tổ chức đợt đánh dứt điểm các quả đồi phía đông.

Mở đầu kế hoạch đợt 3 là tiếp tục hoàn thành nốt những nhiệm vụ đã đề ra cho đợt 2: tiêu diệt hoàn toàn hai cao điểm A1 và C1, đồng thời đánh chiếm thêm một số cứ điểm ở phía tây và phía đông thu hẹp thêm nữa phạm vi chiếm đóng của quân Pháp, chuẩn bị cho tổng công kích. Nhiệm vụ được trao cho các đơn vị như sau:

• Đại đoàn 316, được phối thuộc trung đoàn 9 của 304 (thiếu 1 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 1 tiểu đoàn của trung đoàn 9, cử 1 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.

Để chống lại hệ thống hầm ngầm cố thủ không thể xung phong đánh chiếm được trên đồi A1 có vị trí quyết định, công binh Việt Nam đào đường hầm từ trận địa tại A1 tới dưới hầm ngầm, đưa bộc phá với số lượng lớn vào đặt rồi cho nổ. Một đội đặc biệt gồm 25 cán bộ, chiến sĩ do Nguyễn Phú Xuyên Khung, cán bộ công binh của Bộ, trực tiếp chỉ huy, đã tiến hành công việc ngay trước mũi súng quân Pháp, trong tầm kiểm soát của lựu đạn, khắc phục thêm khó khăn: thiếu không khí, đèn, đuốc mang vào hầm đều bị tắt, số đất moi từ lòng núi ra ngày càng nhiều không được để cho quân Pháp phát hiện. Các chiến sĩ phòng ngự tại A1 đã có kế hoạch chiến đấu không cho quân Pháp tiến xuống cửa hầm, dù phải hy sinh tới người cuối cùng, để bảo vệ bí mật tuyệt đối ý đồ đào hầm.

Tại phía đông, trung đoàn 98 tiến công cứ điểm C1 lần thứ hai. Thiếu tá Jean Bréchignac, vẫn đặt sở chỉ huy trên Eliane 4, đã linh cảm trận đánh Eliane 1 sắp nổ ra. Ngày 1 tháng 5, Bréchignac quyết định đưa đại đội 3 của tiểu đoàn dù tiêm kích số 2 lên thay thế cho đại đội Clédic đã bị tiêu hao, đồng thời ra lệnh cho đại đội 1 sẵn sàng tham gia phản kích.

Ngày 1-5, Đại đội 811 của QĐNDVN đã có 20 ngày đêm phòng ngự tại C1, được lệnh rời khỏi trận địa 200 mét cho hỏa pháo chuẩn bị. Sơn pháo đặt trên đồi D1 nhắm từng hỏa điểm trên C1 bắn phá. Dứt tiếng pháo, tổ bộc phá lập tức mở những hàng rào cự mã ngăn cách, đưa bộ đội xông lên phía Cột Cờ. Chỉ sau năm phút, QĐNDVN đã chiếm được Cột Cờ. Lực lượng dù xung kích của Pháp mới lên tiếp viện bắn xối xả vào khu vực Cột Cờ. Tuy nhiên, Đại đội 1480 từ phía dưới tiến lên đã kịp thời có mặt, cùng với 811 hình thành hai mũi tiến công chia cắt quân Pháp để tiêu diệt.

Nửa đêm, toàn bộ quân Pháp bị tiêu diệt. Dây thép gai và mìn lấy từ trận địa lập tức được trải ra sườn đồi thành một bãi chướng ngại dày đặc, đề phòng quân Pháp phản kích. Sau hơn 30 ngày đêm liên tục chiến đấu, trận đánh tại C1 lúc này đã kết thúc.

ở 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). Một đại đội của tiểu đoàn6e BPCvà những đơn vị lính Algérie, lính Thái tại đây, do tiểu đoàn trưởng Chenel chỉ huy, chống cự khá quyết liệt. 2 giờ sáng ngày 2 tháng 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 811A (Huguette 5) của trung đoàn 88 diễn ra rất nhanh chóng. Với những đường hào đã đào xuyên qua hàng rào cứ điểm, bộ đội bất thần tổ chức xung phong. Toàn bộ đại đội Âu Phi vừa tới thay quân để tăng cường phòng thủ cứ điểm này, bị diệt gọn trong vòng không đầy 80 phút.

Như vậy, ngay trong đêm đầu của đợt tiến cống thứ ba, Pháp đã mất thêm bốn cứ điểm: C1, 505, 505A ở phía đông, và 311A ở phía tây.

Đêm ngày 4 tháng 5, trên cánh đồng phía tây, sau khi tiêu diệt 311A, đại đoàn 308 tiếp tục đánh 311B '(Huguette 4)' ở phía trong. Trung đoàn 36 tiêu diệt 1 đại đội gồm lính lê dương và lính Maroc, 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 Đờ Cát ở hướng này. Buổi sáng, Pháp phản kích định chiếm lại nhưng thất bại.

Cũng trong ngày 5 tháng 5, trung đoàn 174 báo cáo đường hầm ở A1 đã hoàn thành. Trong đêm, một tấn bộc phá chia thành những gói hai mươi kg, được đưa vào đặt dưới hầm ngầm Pháp. Sáng ngày 6 tháng 5 năm 1954, tiểu đoàn 255 của 174 phòng ngự suốt 34 ngày đêm trên đồi A1 được lệnh rút qua Đồi Cháy làm lực lượng dự bị. Tiếng nổ của khối bộc phá trên đồi A1 được chọn làm hiệu lệnh xung phong cho đợt tiến công tối hôm đó.

Trước giờ G năm phút, các chiến sĩ ở chiến hào xuất phát xung phong được lệnh quay lưng về A1, nhắm mắt, há mồm đề phòng sóng xung kích và ánh chớp của ngàn cân bộc phá. Đúng 20 giờ 30, một tiếng nổ trầm, trên đồi A1 có một đám khói lớn phụt lên. Khối bộc phá nổ cách hầm ngầm vài chục mét thổi bay chiếc lô cốt bên trên, diệt phần lớn đại đội dù 2 của Trung úy Edme (Étmơ) đóng ở đây. Nguyễn Hữu An lập tức ra lệnh cho pháo của trung đoàn nổ súng. Khối bộc phá một tấn đã tiêu diệt một phần tuyến ngang gây khó khăn cho các đơn vị đánh A1 trong đợt trước, tạo nên một cửa mở quan trọng giúp cho hai đại đội của tiểu đoàn 249 xung phong thuận lợi. Trên đỉnh đồi, lính dù dựa vào chiến hào và công sự đã được củng cố trong thời gian qua ra sức chống đỡ chờ quân viện. Quá nửa đêm, trung đoàn trưởng Nguyễn Hữu An quyết định đưa đại đội dự bị của tiểu đoàn 249 vào giải quyết trận đánh. Bộ đội chia thành từng tổ nhỏ tiêu diệt dần dần từng ụ đề kháng của quân Pháp.

4 giờ sáng ngày 7 tháng 5 năm 1954, Đại úy Jean Pouget chỉ còn lại 34 lính dù. Quân dù đã sử dụng đến những viên đạn, quả lựu đạn cuối cùng. Pouget bị thương nặng và bị bắt. Sáng ngày 7 tháng 5 năm 1954, lá cờ Quyết chiến Quyết thắng tung bay trên cao điểm A1 báo hiệu giờ tàn của tập đoàn cứ điểm.

Đến sáng ngày 7 tháng 5, QĐNDVN đã tiến công tiêu diệt cứ điểm C2, 506, 507, 310F. Các quả đồi phía đông này đã thất thủ hoàn toàn mà phía Pháp không còn lực lượng khả dĩ chiếm lại. Tại Mường Thanh, 12 giờ, Langlais triệu tập cuộc họp các chỉ huy tiểu đoàn. Lần này vắng mặt những người chỉ huy dù. Theo kế hoạch Albatros, quân Pháp sẽ mở cuộc phá vây vào 20 giờ ngày hôm nay, mồng 7 tháng 5. Nhưng con đường cách đây ba ngày còn để ngỏ phía nam Junon, đã bị ba đường hào cắt ngang. Chỉ huy các tiểu đoàn lần lượt báo cáo đơn vị mình không ở trong trạng thái thực hiện một cuộc phá vây mà họ tin là khó sống sót. Những người dự họp đều nhận thấy: dù có hy sinh phần lớn quân rút chạy, cũng khó giúp cho một nhóm người thoát khỏi thung lũng. Cuộc tiến công của những người lính kiệt sức nhắm vào những vị trí được đối phương bảo vệ vững chắc, sẽ là một hành động tự sát.

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 Đờ Cát hoặc bất cứ tên địch nào chạy thoát".

QĐNDVN tổng tiến công trên khắp các mặt trận. Quân Pháp đã sức tàn lực kiệt, rệu rã kéo cờ quyết định đầu hàng. Đại đội trưởng Tạ Quốc Luật lập tức dẫn đại đội 360 luồn dưới làn đạn của những khẩu trọng liên bốn nòng, băng qua cầu Mường Thanh. Nhận thấy quân Pháp hầu như không chống cự, Tạ Quốc Luật nhảy lên mặt đất, dùng một lính bảo an người Việt dẫn theo đường tắt tiến thật nhanh tới sở chỉ huy của de Castries. Các đài quan sát báo cáo về: "Quân ta từ ba phía đang đánh vào khu trung tâm, 312 từ phía đông tiến qua cầu Mường Thanh, 308 từ phía tây mở đường qua sân bay, và từ phía tây nam mở đường vào Lili, hướng về sở chỉ huy của Đờ Cát. Quân địch chỉ chống cự lẻ tẻ."

Lúc đó, Đại đội 360 chỉ còn 5 người: Tạ Quốc Luật, Hoàng Đăng Vinh, Bùi Văn Nhỏ, Nguyễn Văn Lam và Đào Văn Hiếu. Khoảng 17 giờ, sau khi dùng thủ pháo tiêu diệt tổ bảo vệ ở phòng ngoài sát cửa ra vào, 5 chiến sĩ vượt qua gian hầm thứ 2, tiến vào gian hầm giữa khá rộng có tướng de Castries và các sĩ quan Pháp đang ở đấy. Tạ Quốc Luật nói bằng tiếng Pháp, đại ý: "Các ông hàng đi. Các ông thua rồi. Các ông phải ra lệnh cho các ổ đề kháng bỏ súng, đầu hàng và điện về Hà Nội không cho máy bay ném bom xuống Điện Biên nữa".

Sau đó, nhóm chiến sĩ dẫn giải tù binh lên khỏi hầm, đi về phía cầu Mường Thanh rồi bàn giao cho Thăng Bình - Tiểu đoàn phó Tiểu đoàn 130. 5 giờ 30 chiều, đại đoàn 312 báo cáo lên: "Toàn bộ quân địch tại khu trung tâm đã đầu hàng. Đã bắt được tướng Đờ Cát"

Cụm phân khu Nam Hồng Cúm mưu toan chạy sang Lào nhưng bị các đơn vị QĐNDVN đuổi theo, tất cả đã bị bắt không đi thoát. Gần 12.000 quân Pháp còn lại tại Điện Biên Phủ đều bị bắt làm tù binh.