Mặc dù đã bị đánh cho tan tác song lực lượng phòng thủ Phnom Pênh vẫn còn khá mạnh: Sư đoàn 260 hiện bố trí phòng thủ cầu Mô-ni-vông và phía Nam dọc theo đường 1 khoảng 20km. Trung đoàn 180 bảo vệ Bộ Tổng tham mưu. Trung đoàn 331 của Sư đoàn 502 Không quân bảo vệ sân bay Pô-chen-tông.
Ngoài ra, Sư đoàn 152 Thuỷ quân Lục chiến có một trung đoàn bảo vệ trên sông và căn cứ hải quân Chrui-chang-var cộng với lực lượng giữ nhà của Sư đoàn TTG 377, Sư đoàn Pháo binh 188 và một bộ phận công binh bố trí chiến đấu bảo vệ khu vực hậu cứ từ ga xe lửa ra đến sân bay Pô-chen-tông.
Tin tức tình báo cho biết, ngày 5.01 Khmer Đỏ đã gom cố vấn Trung Quốc về Phnom-Pênh. Ngày 6.01 chúng ra lệnh đốt tài liệu và có nhiều máy bay đi lại giữa Pô-chen-tông và Băng-kok. Chúng cũng ra lệnh phá cầu trên các đường dẫn vào Phnom Pênh và tích cực đánh ngăn chặn, đánh du kích phía sau.
Sư đoàn 304 (Quân đoàn 2) nhận lẵng hoa của Chủ tịch nước Tôn Đức Thắng trước khi lên đường làm nhiệm vụ giúp nước bạn Campuchia.
Đội hình tiến công đã triển khai thành hàng dọc trên đường số 1 từ bến phà lên khoảng 5 km. Dẫn đầu đội hình là Tiểu đoàn TTG 2 gồm 4 xe tăng T-54, 1 K63-85 và 11 xe M113. Bên cạnh đội hình Tiểu đoàn TTG 2 có 1 đại đội hỗn hợp trinh sát công binh và Tiểu đoàn 3 của Xáttha (Mặt trận đoàn kết dân tộc cứu nước Campuchia).
Khmer Đỏ không kịp trở tay
Sau nửa tháng chiến đấu liên tục, tình trạng kỹ thuật xe tăng rất tã, chưa được một ngày bảo dưỡng, mỗi xe M113 chỉ còn 150 lít xăng; xe tăng T-54 thì khá hơn, đạn pháo xe tăng chưa đến 12 quả cho mỗi nòng pháo mà xe hậu cần thì chưa lên kịp song quyết tâm của cán bộ, chiến sĩ xe tăng rất cao, ai cũng háo hức đánh giặc lập công.
Đúng 7 giờ 15 phút, Phó Tư lệnh Bùi Cát Vũ phát lệnh hành tiến tiến công vào Phnom Pênh. Trước đó ít phút ông đã lệnh cho Trung đoàn Hải quân 962 và Trung đoàn Đặc công 113 rời bến để bảo vệ mặt Nam cho đội hình.Tuy nhiên, đã gần 7 giờ mà Trung đoàn 209 - đơn vị chủ công tiến vào Phnom Pênh vẫn chưa sang được sông. Phó Tư lệnh quân đoàn Bùi Cát Vũ quyết định đưa Trung đoàn 14 lên thay thế. Còn Trung đoàn 209, Trung đoàn 12 thì đón nhận các xe lên sau.
Để tiện chỉ huy tác chiến, Phó Tư lệnh Bùi Cát Vũ chuyển sang xe thiết giáp V100 cùng với Lữ đoàn trưởng Lữ đoàn TTG 22 Tạ Văn Thắng. Các sĩ quan cơ quan tham mưu quân đoàn đi trên xe V100 thứ hai do trung úy Đồng Phạm Thắng chỉ huy.
Chỉ huy Tiểu đoàn TTG 2 là tiểu đoàn trưởng Nguyễn Văn Thành (sau này là Trung tướng Phó Tổng tham mưu trưởng). Đơn vị đi đầu đội hình là Đại đội XT 10 gồm 4 chiếc T54. Ngay sau khi có lệnh, xe tăng đã ngay lập tức tăng tốc độ. Các xe thiết giáp và ô tô chở bộ binh bám sát phía sau.
Pháo binh ta nhả đạn đánh quân Pôn-pốt năm 1979.
Hành tiến được 5 km, đội hình tiến công gặp trận địa phòng ngự đầu tiên của Khmer Đỏ. Quân địch sử dụng pháo 130mm và 85 mm hạ nòng bắn thẳng đồng thời lợi dụng công sự chiến đấu ngăn chặn quyết liệt. Các xe TTG dàn đội hình đánh địch. Sau chừng 5 phút chiến đấu, một số xe kéo pháo bỏ chạy.
Từ sở chỉ huy, Phó Tư lệnh Bùi Cát Vũ điện cho Tiểu đoàn trưởng Nguyễn Văn Thành: "Nó kéo pháo chạy có nghĩa là đường không có mìn. Thời cơ rất tốt, bắn đè đầu nó xuống, thúc xe tăng vượt qua nhanh, đuổi theo!".
Trong lúc đó 8 chiếc xe tải Khmer Đỏ đổ quân trên đường Ba Nam sát bờ sông, dùng DKZ và 12,8 mm bắn vào đoàn tàu của trung đoàn 962. Còn ở mũi Cù lao có hai tàu Khmer Đỏ vừa bắn vừa chạy ngược trở lên. Các tàu của Trung đoàn 962 nhanh chóng nổ súng, buộc quân địch bỏ chạy.
Trên đầu đội hình hành tiến, Chuẩn úy trung đội trưởng Trần Ngọc Giao (sau này được tuyên dương Anh hùng LLVTND) chỉ huy xe tăng T-54 số 975 vừa dùng hỏa lực, vừa dùng xung lực đâm húc hất xe pháo địch xuống vệ đường.
Khi đến đầu phum Prek Pol, một lần nữa đội hình tiến công phải dừng lại khi gặp trận địa phòng ngự của quân Khmer Đỏ. Sau ít phút nổ súng, quân địch bỏ chạy. Đội hình tiến công tiếp tục tiến nhưng phải đi theo đường tránh vì cầu bị phá.
Đến phum Kông-Lêng, quân Khmer Đỏ đem 2 xe tải ra chắn đường, hỏa lực chống tăng các loại bắn ra khá mạnh, có 2 chiếc xe tăng K63-85 và một số khẩu pháo 85 mm, xe thiết giáp M113 số 271 của Đại đội 5 bị trúng đạn bốc cháy. Đội hình tạm dừng.
Bộ Tư lệnh quân đoàn quyết định cho Tiểu đoàn 3 bạn và Trung đoàn 14 vòng đánh địch để bảo vệ cho xe tăng đột phá.
Sau 20 phút chiến đấu, quân Khmer Đỏ vỡ trận, bỏ chạy. Được các xe sau yểm hộ, xe 975 của Trần Ngọc Giao lao lên với tốc độ cao nhất chen vào giữa đội hình xe địch. Khi xe 975 bắn hạ được hai chiếc phía trước trong cự ly quá gần, khói bụi che lấp tốc độ nhanh không lấy được tim đường nên xe bị dệ xuống mương.
Ngay lập tức, các chiến sĩ trong xe nhảy xuống chiến đấu bằng súng bộ binh, diệt thêm hai xe chạy sau và một số bộ binh địch. Khi Đại đội XT 10 đến, Trần Ngọc Giao lên thay Đại đội trưởng trên chiếc xe tăng T-54 số 973, dẫn đầu đội hình chọc thẳng vào thành phố.
Đại đội XT10 do Trần Ngọc Giao chỉ huy lao thẳng vào Bộ Tổng Tham mưu - cơ quan đầu não chỉ đạo chiến tranh của Khmer Đỏ.Hơn 10 giờ, đội hình tiến công đã đến cầu Monivong. Quân Khmer Đỏ vẫn tiếp tục kháng cự, bắn cháy 1 xe M113 nhưng rồi nhanh chóng tan rã. Theo kế hoạch, các đơn vị tỏa ra các mục tiêu trong thành phố.
Đúng 10.30 ngày 07.01.1979, lá cờ chiến thắng đã được Trần Ngọc Giao kéo lên tại Bộ Tổng Tham mưu. Đến 12 giờ, hầu hết các mục tiêu chủ yếu trong thành phố Phnom Pênh đã được giải phóng.
Trận tiến công trong hành tiến diễn ra quá nhanh, quá thần tốc khiến cho quân Khmer Đỏ không kịp trở tay. Chúng phải bỏ lại hàng trăm xe tăng thiết giáp và pháo lớn cùng nhiều trang bị vũ khí khác. Rất nhiều đồ quý hiếm trong Hoàng cung, trong các công sở cũng không kịp mang đi.
