年11月20日，在法军统帅纳瓦尔的精心策划下，名法军伞兵搭乘几十架美制运输机飞临奠边府进行突击伞降。当时在奠边府地区只有越军2个连部队，火力也比较轻微。他们发现伞降法军后，立即开火迎击，将一些法军打死在半空中。法军连续空投，落地的人员随即向越军发起反击。战斗整整持续了一天，越军寡不敌众，最后只好撤退。法军伤亡50多人，终于夺占了奠边府。法国的意图是在越西北打入一个楔子，控制进入老挝的通道。
纳瓦尔见首战成功，不由大喜，急令以卡斯特里准将为指挥官组成特别部队，迅速向奠边府空投增援。在十几天内，法军陆续向奠边府空投了1万多部队，同时投下了许多榴弹炮、迫击炮、坦克等技术兵器及大量的弹药、粮食、医药和修建物资。卡斯特里环顾奠边府的四周地形，立即制定出了一个防御方案。他指挥法军占领盆地周围的高地山头，依托地形，在奠边府以北以东地区以山头为主，在以西以南地区以平原为主，构筑了3个防御分区和8个据点群，总共49个据点，防御周长达50公里。这些据点都用钢筋混凝土浇注而成，大半建于地下，顶盖上铺设了3层钢板，再上面又有5米厚的沙石，可以抗御重炮轰击。据点上遍布射击孔，内部有仓库、弹药库和掩蔽部等设施，外围还有蛇形铁丝网和障碍物。各个据点之间的距离也是精心设计，可以互相依托，并用崭壕连接，以严密的交叉火力将奠边府核心阵地完全屏护住。
卡斯特里还命令在3个防御分区内都修建了简易机场，通过这些机场和后方法军形成空中走廊，从而获得必要的后勤补给与支援。卡斯特里的指挥部设于奠边府盆地中心的芒清分区，这里集中了炮兵、后勤仓库和主要机场，并布置了重兵防守。法军的这个架式明显是在越军后方又设了一道马奇诺防线，利用其在装备和技术上的优势拖死缺乏攻坚能力和后勤支援的越军。
法军攻占奠边府的消息很快震动了越南人民军高层，越军总司令武元甲心急如焚。如果任由法国人在奠边府打进一个钉子，那越军在任何方向上进行作战都如芒刺在背，而且中国的援越路线也受到了严重威胁。可以说，法军已掐住了越军的命门。战争进行到这个时候，比的就是胆量和意志。武元甲在得到了中国军事顾问团的支持后，下了战略决心。既然法军敢冒险深入越军后方，那越军也就冒险打一场前所未有的歼灭战，搞得好就可以一举打掉法国人的战斗意志，使越南解放问题得以解决。
从11月25日开始，也就是法军正在向奠边府空投军队和补给的同时，武元甲调动各路越军千里回师，以急行军速度穿越丛林，克日向奠边府集结。至12月中旬，越南人民军已初步对奠边府形成了战略包围。在此之前，越军还没有进行过大的攻坚战，在围攻法军小的据点时，也因为敌人有空军支援而经常受到很大损失。奠边府这一战到底应该怎样打，武元甲和很多越军将领心中都没有底。
在作战会议上，中国军事顾问提出，越军在攻坚上有两个弱点：一是炮兵火力差，没有大口径的重炮和高射炮，这就很难对付法军的坚固据点群和反击法军飞机的轰炸；二是越军不会攻打据点群，只是战法单一的进行人海战术冲锋，而且作战决心不坚决，遇到挫折就撤退。武元甲采纳了中国军事顾问的建议，决定推迟进攻奠边府的时间，认真进行战前准备。在此之后的3个月里，武元甲派出大批越军官兵进入中国接受攻坚训练，返回时带回了中国装备的几百门榴弹炮、高射炮和重迫击炮以及大量弹药。越军还派出突击部队夜袭了河内北郊的法军嘉林机场和海防的吉碑机场，炸毁了法军的70多架飞机，严重破坏了其向奠边府的支援和空投。经过整训的越军各路部队源源开至奠边府，最后集结成了一支6万人的大军，其中有越军最精锐的师、师、师和师部队，并装备了许多中国支援的重火器。越南政府还组织了10多万民工以负责运送弹药、粮食和救护伤员，越军后勤薄弱的情况得到大大改善。至此，奠边府大战终于拉开了序幕。
年3月13日下5时，越军集中20门75毫米榴弹炮、20门毫米榴弹炮、80门毫米榴弹炮及上百门重迫击炮，突然向法军阵地进行了猛烈射击。立时，战场上硝烟弥漫，沙石横飞，法军阵前的铁丝网飞上了天空，崭壕被炸成一片虚土，据点顶上的钢板被掀掉，许多活动的法军被炸得血肉横飞。法军没想到越军竟会有这样凶猛的炮火，一时置若梦中，陷入一片混乱。炮击过后，越军立即打出了凶猛的第一拳。精锐的师和师部队冲出丛林，漫山遍野而来。越军的攻击目标直指奠边府阵地北分区的兴兰、独立山和班格3个高地，在每个高地都有法军1个营在防守。法军部队成分复杂，由操着10多种语言的各国雇佣兵组成，防守北分区的是阿尔及利亚部队和越南伪军部队。
防守部队从震惊中清醒过来，立即以各种火器拼命进行阻击。越南人民军在喷吐的火网前尸横遍野，但仍前仆后继，反复冲击。激战到14日中午，越军冲上了兴兰高地，与阿尔及利亚人拼起了刺刀。阿尔及利亚雇佣兵虽然很顽强，可众寡悬殊，最后全部战死在高地上。14日夜，越军再次发起冲锋，从正面和兴兰高地夹击独立山高地，血战至半夜将其夺占。15日，越军又向班格高地发动猛攻。卡斯特里非常着急，派了1个营法军向北分区增援，又呼唤法军飞机支援。越南人民军依托占领的高地集中火力猛射，将增援法军打得落花流水。而越军高射炮部队也大显威力，在2天时间中击落了12架法军飞机，粉碎了法军的空中支援。18日，班格高地上的越南伪军弹尽粮绝，不得不缴械投降。经过5天激战，越军夺取了奠边府的北大门，法军的指挥中心芒清分区直接暴露于越军炮火威胁之下。
在河内的纳瓦尔闻讯大惊，急派飞机连续空投部队和物资增援奠边府。然而天不作美，战场上空连降大雨，法军飞机的能见度极低，只好扔下物资就走，结果好多物资扔到了越军阵地上。天气稍好时，法军支援飞机增多，可这时越军的高射火力也变得空前凶猛起来，打得法军飞机不敢低飞，空投数量因而逐日减少。
卡斯特里知道情势严重了，他开始后悔没有派重兵护卫北部高地。尽管中央分区的兵力火器雄厚，可丢掉了外围据点，那就只能被动挨打，全无主动权了。越军在攻击北分区的战斗中，兵力弹药消耗也很大，不过越军的后勤这次组织得非常好，10多万民工肩挑背扛，翻山越岭，穿越密林，将各种补给物资源源不断运到前线，使越军很快就能恢复战斗力。
3月30日夜，越军在猛烈的火力准备后，集中、、三个师部队向芒清中央指挥分区发动了猛攻。法军集中轻、重机枪、迫击炮织成严密的火力网，将越军一片片打倒在阵地前。而越军这次的战斗决心极为坚定，趟过雷区和铁丝网，不顾伤亡连日进攻，与法军在各个阵地上展开殊死拼杀。激战集中在A1、C1和C2高地上，其中又以A1高地之战最为惨烈。越军一次次扑上来，法军则头缠红巾发挥了空前的英勇精神进行反击。双方终日肉搏在一起，阵地上到处都是白刃闪闪、血光飞迸和劈断骨头的“喀嚓”声。两军士兵蓬头垢面，气喘吁吁地扭打在一起，用刺刀、枪托、拳头、牙齿进行拼搏。
越军连续夜战，多次占领表面阵地。法军则用空军空投照明弹，集中火力一次次将越军反击出去。法军每次夺回阵地，都要从崭壕里拖出成堆的尸体，高地上更是全被尸体覆盖，到处都充满了令人作呕的血腥气息。在整个战役中，双方在A1高地上就扔下了具尸体。
卡斯特里为了支援几个高地，派出了12辆坦克向越军反击，同时法军轰炸机也对越军攻击部队进行了空袭。越军一面集中高射炮对空还击，一面不断增调兵力发动攻击。残酷的血战持续到了4月中旬，在付出巨大牺牲后，越军终于夺取了除A1和C1高地之外芒清中央分区外围的所有据点群，而南部的南分区法军也被越军师压缩到了很小区域内。至此越军的炮火已控制了法军的所有机场，法军飞机再也不能起降卸下物资和运走伤员了。打到这时，法越双方拼得筋疲力尽，战斗暂时停息了。
此时的战场形势已到了最关键的时刻，卡斯特里的中心分区被压缩到只有方圆米的范围内，能战斗的法军只剩下不到人，其余全是伤员，南分区的法军也只有余人，四面则被越军紧紧包围。法军失去了机场的空运补给，大量伤员也运不出去，有限的少量空投实在是杯水车薪，无补于事。法军连日苦战，饥饿疲惫，士气低落，而且惨到连水源都失去了，只能喝过滤的雨水。越军也很困难，伤亡巨大，而且官兵的体力也极为疲惫，全军中犹豫彷徨的情绪开始抬头。在双方轻劲的时候，谁要是先退一步，胜负顷刻就会逆转。越军总指挥部决心打下去，无论如何要吃掉卡斯特里。
越军立即加大了后勤补给，将攻击部队进行轮换休整，同时在中国工兵专家的指导下，组织大量人员挖掘暗壕通向法军阵地，并运上去炸药，准备进行核心爆破。河内的法军司令纳瓦尔也没闲着，他命令空军部队不惜一切代价向奠边府空投物资，并猛烈轰炸越军后方和交通线。他还命令卡斯特里率全军突围，但被卡斯特里拒绝了。在这样缺粮少弹，伤病交加的情况下，几千名法军是万难从越军的大后方中逃脱的。
决定性的日子终于到来了，5月1日，越军发动了总攻。这次越军中已有了从中国运来的6管火箭炮，这是苏军“喀秋莎”火箭炮的仿制品，一打出去就是连片覆盖，火箭弹在空中飞行时“啾”“啾”的声音令法军士兵魂飞胆裂。在被称为“血肉磨坊”的A1高地上，越军引爆了埋在地下暗壕中的1吨炸药，随着一声惊天动地的巨响，无数钢筋水泥、枪支炮械、残肢断体飞上天空，A1高地灰飞烟灭了。漫山遍野的越军冲上去，阵地上、坑道中，到处都在进行激烈的白刃拼杀。经过几天的战斗，法军的据点一个个被攻克，阵地越缩越小。
5月7日下午，法军已是弹尽粮绝，再也无法坚持了。卡斯特里向纳瓦尔发去了最后的报告，然后就按照西方的传统，率部投降了。南分区的名法军逃出阵地企图突围，被越军师于野战中全部歼灭。至此，尸山血海的奠边府大战落下了帷幕。
奠边府大战历时55天，法军伤亡被俘1.62万人，其中阵亡余人，损失了大量武器装备，飞机也被击落了64架；越军此战伤亡1.39万人，参战的师、师、师、师都打成了越军最早的“王牌师“。具有讽刺意味的是，其中的师、师和师在30年后，又与昔日的老师中国军队在越北进行了同样惨烈的连番血战。
奠边府战役后，法国征服越南的企图彻底破产。1年后，法国在日内瓦会议上承认了越南民主共和国。不久，法国从印度支那全面撤军。