Cuộc kháng chiến chống Pháp của Việt Minh đang ở giai đoạn quyết liệt, Đảng Cộng sản Đông Dương quyết định mở chiến dịch Đông Xuân năm 1953 - 1954, đơn vị hành quân đi chiến dịch, Bế Văn Đàn làm liên lạc tiểu đoàn. Một đại đội của tiểu đoàn được giao nhiệm vụ bao vây giữ Pháp ở Mường Pồn. Lúc đó, khi thấy lực lượng Việt Minh ít, Pháp tập trung hai đại đội có phi pháo yểm trợ liên tiếp phản kích, nhưng cả hai lần chúng đều bị quân Việt Minh đánh bật. Cuộc chiến đấu diễn ra căng thẳng và quyết liệt. Quân Pháp liều chết xông lên, quân Việt Minh kiên quyết ngăn chặn, chốt giữ.

Lúc đó có lệnh cho đại đội quyết tâm giữ ở Mường Pồn bằng bất cứ giá nào, để các đơn vị khác triển khai lực lượng, thực hiện các chủ trương của chiến dịch. Mặc dù Bế Văn Đàn vừa đi công tác về nhưng khi thấy chỉ huy thông báo, ông đã xung phong lên đường làm nhiệm vụ. Bế Văn Đàn vượt qua lưới đạn dày đặc của quân Pháp, xuống truyền đạt mệnh lệnh cho đại đội kịp thời, chính xác. Trong khi đó, trận chiến đấu diễn ra ngày càng ác liệt hơn, Bế Văn Đàn được lệnh ở lại đại đội chiến đấu.

Quân Pháp phản kích lần thứ ba, mở đường tiến, đại đội Việt Minh bị thương vong nhiều, chỉ còn 17 người, bản thân Bế Văn Đàn cũng bị thương, nhưng ông vẫn tiếp tục chiến đấu.[1] Một khẩu trung liên của đơn vị không bắn được vì xạ thủ hy sinh. Khẩu trung liên của Chu Văn Pù cũng chưa bắn được vì không có chỗ đặt súng. Trong tình thế hết sức khẩn trương, Bế Văn Đàn không ngần ngại chạy lại cầm 2 chân khẩu trung liên đặt lên vai mình và hô đồng đội bắn. Pù còn do dự thì Bế Văn Đàn đã nói: "Kẻ thù trước mặt, đồng chí có thương tôi thì bắn chết chúng nó đi!".[1] Trong lúc lấy thân mình làm giá súng, Bế Văn Đàn bị hai vết thương nữa và hy sinh, hai tay vẫn còn ghì chặt súng trên vai mình.[1].

Bế Văn Đàn mất ngày 12 tháng 12 năm 1953.[2] (Thông tin này có thể bị nhầm lẫn), Đồng chí Nguyễn Văn Viện (1 chiến sĩ Điện Biên) cho biết đồng chí Bế Văn Đàn mất vào hồi 17 giờ 15 phút ngày 23 tháng 11 năm 1953)