Tới đầu tháng 12 năm 1978, quân đội Việt Nam được hỗ trợ bởi một số tiểu đoàn Khmer thân Việt Nam đã kiểm soát một vùng đệm dọc biên giới trong lãnh thổ Campuchia từ Mimot đến Snuol ở các tỉnh Kampong Cham và Kratié.[40] Ở phía Bắc, quân Việt Nam cũng kiểm soát một vùng rộng thuộc lãnh thổ Campuchia dọc theo đường 19.[41] Ngày 23 tháng 12 năm 1978, sau khi được tăng viện, với 80.000 quân, quân đội Việt Nam đã tiến hành phản công trên toàn bộ mặt trận, đẩy lùi quân Khmer Đỏ. Sư đoàn 2 cùng trung đoàn chủ lực tỉnh Tây Ninh mở cuộc tấn công nhằm đánh bật các Trung đoàn 23 thuộc Sư đoàn 304 và Trung đoàn 13 thuộc Sư đoàn 221 của Campuchia ra khỏi các vị trí dọc theo tỉnh lộ 13 sát biên giới. Tuy nhiên chiến cuộc chưa chấm dứt, quân đội Việt Nam quyết định mở cuộc tấn công phòng ngừa vào Campuchia vào ngày 25 tháng 12 năm 1978.

Đánh chiếm bờ đông sông Mekong

Ngày 25 tháng 12 năm 1978 sau khi đánh tan sức kháng cự của quân Khmer Đỏ, các lực lượng Việt Nam thuộc Quân khu 5 nhanh chóng tiến theo đường 19, sư đoàn 309 quét sạch tỉnh Ratanakiri, phía Bắc tỉnh Mondolkiri và tiến vào phía Bắc tỉnh Stung Treng. Sư đoàn 307 tiến theo đường 19, dùng cầu phao vượt sông Srepok và sông Mekong. Tới ngày 3 tháng 1 năm 1979, lực lượng Quân khu 5 tiến dọc sông Mekong chiếm được thị xã Stung Treng.

Ở hướng của Quân khu 7, Sư đoàn 5 tiến từ hướng đông và Sư đoàn 303 từ Snuol (tỉnh Kratié sát biên giới với Bình Phước) tiến đến hướng tây bắc cùng đánh vào Kratié do Sư đoàn 260 và 2 trung đoàn địa phương của đặc khu 505 Khmer Đỏ phòng thủ. Các sư đoàn này gặp phải sức kháng cự quyết liệt từ phía quân Khmer Đỏ. Trong cuộc tiến quân, hai Tiểu đoàn 1 và 2 Trung đoàn 316 Sư đoàn 303 bị tập kích bất ngờ nên bị tiêu diệt. Trung đoàn này, cũng như Trung đoàn 33, sau một tháng hành quân, quân số hao hụt mất một nửa.[42] Các đơn vị quân Khmer Đỏ tấn công Sư đoàn 303 gây nhiều tổn thất và suýt chiếm được sở chỉ huy sư đoàn. Tuy nhiên, sau khi không chặn được quân Việt Nam, quân Khmer Đỏ phải rút lui, tới ngày 29 tháng 12, thị xã Kratié rơi vào tay quân đội Việt Nam. Cùng lúc, Sư đoàn 302 tiến về phía Tây đã chiếm được Kampong Cham. Sau đó, hai Sư đoàn 302 và 303 cùng quay lại đánh chiếm thị trấn Chhloung (Kratié) do Sư đoàn 603 Khmer Đỏ chống giữ. Ngày 4 tháng 1, họ chiếm được Chhloung. Kể từ lúc đó, toàn bộ lãnh thổ đông bắc Campuchia ở phía đông sông Mekong coi như bị quân đội Việt Nam kiểm soát.

Ở hướng tấn công của Quân đoàn 3 Việt Nam, sáng ngày 31 tháng 12 được pháo binh bắn yểm trợ, xe tăng và bộ binh Việt Nam tiến công và nhanh chóng đánh tan 5 sư đoàn Khmer Đỏ trên toàn tuyến phòng thủ dọc theo biên giới ở tỉnh Kampong Cham (Tboung Khmum hiện nay). Tới cuối ngày, trừ sở chỉ huy quân Khmer Đỏ, toàn bộ các cứ điểm còn lại thất thủ, quân Khmer Đỏ rút chạy về thị trấn Kampong Cham ở bờ tây sông Mekong, bị quân Việt Nam truy kích ráo riết. Không quân Việt Nam cũng tham chiến, tấn công vào tuyến phòng thủ của Khmer Đỏ và ném bom phá hủy một sân bay mà từ đó máy bay T-28 Khmer Đỏ xuất kích ném bom vào các toán quân tiền phương Việt Nam. Sáng ngày 1 tháng 1 năm 1979, sau khi tập hợp lại lực lượng, Quân đoàn 3 đánh chiếm sở chỉ huy Khmer Đỏ sau một giờ giao chiến quyết liệt. Tướng Kim Tuấn hạ lệnh cho các đơn vị dưới quyền truy quét và tiêu diệt các lực lượng Khmer Đỏ còn sót lại. Tới ngày 3 tháng 1, Sư đoàn 320 đã tiến tới bờ đông của bến phà Kampong Cham bên bờ sông Mekong. Tại đây sư đoàn dừng lại, rồi dùng 2 đại đội xe bọc thép mở đường, đánh về phía nam chiếm thủ phủ tỉnh Prey Veng.

Trong khi đó, ngày 28 tháng 12, ở phía nam, lực lượng Khmer Đỏ thuộc Quân khu Đông Nam mở cuộc tấn công phòng ngừa dọc biên giới. Quân Khmer Đỏ tiêu diệt một số đơn vị Quân khu 9 bảo vệ biên giới và chiếm một vùng rộng lãnh thổ Việt Nam dọc theo kênh Vĩnh Tế. Cuộc tấn công này làm cho tình hình Quân đoàn 2 của tướng Nguyễn Hữu An trở nên rất khó khăn. Quân Khmer Đỏ đã chiếm được khu vực đầu cầu mà Quân đoàn 2 và lực lượng Quân khu 9 định dùng để tiến vào Campuchia, đồng thời giành được một chiến lũy tự nhiên cản đường tiến của quân Việt Nam. Sau khi nhận được sự chấp thuận từ Bộ chỉ huy, sáng ngày 31 tháng 12, sư đoàn 4 của Quân khu 9 và Trung đoàn 9 của Sư đoàn 304 phối thuộc mở cuộc phản công. Sau 24 giờ giao tranh kịch liệt, quân Việt Nam đã đánh lui quân Khmer Đỏ khỏi bờ tây kênh Vĩnh Tế. Chiều ngày 1 tháng 1, được pháo binh và không quân yểm trợ, Lữ đoàn công binh 219 thuộc Quân đoàn 2 bắc cầu phao vượt sông. Sư đoàn 304 và Lữ đoàn xe bọc thép 203 mở đường tiến vào đất Campuchia. Tới trưa ngày 3 tháng 1, Quân đoàn 2 và Quân khu 9 đã tiêu diệt hoặc đánh tan tất cả các lực lượng Khmer Đỏ ở hạ lưu sông Mekong dọc biên giới. Sở chỉ huy Quân khu Tây Nam của Khmer Đỏ phải rút về Takéo.

Tại hướng chủ yếu Tây Ninh, sau ba ngày tấn công, với sự yểm trợ của không quân, trực thăng, pháo binh, hải quân, thiết giáp... Quân đoàn 4 Việt Nam đánh bật được quân Khmer Đỏ khỏi các vị trí Năm Căn, Hòa Hội dọc theo tỉnh lộ 13, và các đơn vị của các Sư đoàn 703, 340, 221 của Khmer Đỏ phải rút về Campuchia thành lập một tuyến phòng thủ mới tại Svay Rieng, tập trung ở cầu Don So. Được 15 xe tăng và xe bọc thép mở đường, cùng với pháo 105mm, 155mm[43] bắn yểm trợ, Sư đoàn 7 của Quân đoàn 4 mở cuộc tấn công vào quân Khmer Đỏ ở Don So. Tuy nhiên sau hai ngày giao chiến với nhiều tổn thất, Sư đoàn 7 vẫn chưa chọc thủng được tuyến phòng phủ của Khmer Đỏ. Tới đêm ngày 1 tháng 1, tướng Hoàng Cầm hạ lệnh cho Sư đoàn 7 tung hết lực lượng dự bị vào trận. Quân Khmer Đỏ kháng cự dữ dội, nhưng sau khi bị thua ở Tây Ninh, quân Khmer Đỏ đã bị mất tinh thần, hơn nữa, do phải chấp nhận một trận đánh quy ước với một địch thủ có hỏa lực, quân số và kinh nghiệm chiến trường trội hơn quá nhiều, nên quân Khmer Đỏ bị tan rã. Tuyến phòng thủ Svay Rieng bị vỡ ngày 2 tháng 1 năm 1979, quân Khmer Đỏ phải rút về Prey Veng và Neak Luong, chỉ để lại một số đơn vị đánh cầm chân Quân đoàn 4.

Tới ngày 2 tháng 1 năm 1979, quân đội Việt Nam đánh tan các sư đoàn chủ lực của Khmer Đỏ án ngữ các trục đường số 1, 7 và 2 ở lối vào Phnom Penh. Chiều ngày 3 tháng 1, Sư đoàn 7 chiếm được cầu Don So và tới ngày 4 tháng 1 đã làm chủ toàn bộ vùng phía đông sông Mekong. Tới ngày 5 tháng 1, Sư đoàn 7 tiến đến Neak Luong.

Đánh chiếm Phnom Penh

Ngày 6 tháng 1, Quân đoàn 4 và Quân đoàn 3 Việt Nam gồm 9 sư đoàn làm thành hai gọng kìm tiến vào Phnom Penh từ phía Đông Nam qua phà Neak Luong và từ phía Bắc qua ngả Kampong Cham.

Ở cánh phía nam, Sư đoàn 7 và Sư đoàn 2 của Quân đoàn 4 là mũi chủ công tiến theo quốc lộ 1, Sư đoàn 9 tiến song song bảo vệ sườn phía nam và Sư đoàn 341 bảo vệ sườn phía bắc. Ngày 6 tháng 1 năm 1979, những đơn vị đầu tiên của Sư đoàn 7 Quân đoàn 4 được 1 tiểu đoàn UFNSK hỗ trợ chiếm được bờ phía đông của bến phà Neak Luong. Quân Khmer Đỏ trong khi rút lui vội vã đã không kịp thiết lập công sự phòng thủ. Trong đêm, cách bến phà khoảng hai cây số về phía nam, Trung đoàn 113 cùng Trung đoàn 14 của Sư đoàn 7 được tàu đổ bộ đưa sang bên kia sông, tiến chiếm bờ phía tây của bến phà. Ngày 7 tháng 1, toàn bộ đội hình Quân đoàn 4 tiến hành vượt sông. Do sự tan rã nhanh chóng của lực lượng phòng thủ biên giới và sự chủ quan của Pol Pot, quân đội Việt Nam tiến vào Phnom Penh từ Neak Luong mà không gặp sức chống cự đáng kể nào.

Ở cánh phía bắc, Quân đoàn 3 của tướng Kim Tuấn cũng giao tranh quyết liệt với quân Khmer Đỏ ở Kampong Cham để vượt sông Mekong. Quân Khmer Đỏ thiết lập trận địa phòng ngự dọc bờ tây sông Mekong với nhiều ổ súng máy, súng cối bắn trùm lên mặt sông để ngăn thuyền chở quân Việt Nam đổ bộ. Xa hơn một chút, quân Khmer Đỏ bố trí xe tăng, xe bọc thép, pháo 105mm, 122mm và 155mm để bắn vào quân Việt Nam đang tập trung ở bờ đông sông Mekong. Đêm ngày 5 tháng 1, một toán quân gồm lính trinh sát, công binh và bộ binh định vượt qua bờ sông chiếm một đầu cầu nhỏ, nhưng quân Khmer Đỏ đánh bật họ lại. Tướng Kim Tuấn quyết định dùng hỏa lực áp đảo bắn vào trận địa phòng thủ của quân Khmer Đỏ, rồi cho thả khói mù, dùng thuyền chuyển quân sang bờ tây. Mặc dù rất nhiều thuyền bị trúng đạn của quân Khmer Đỏ, Quân đoàn 3 cuối cùng cũng đã thiết lập được một đầu cầu. Một đại đội xe lội nước vượt sông và tỏa ra để đánh vào thị trấn; 2 tiểu đoàn bộ binh cũng vượt được sông, đến 8:30 sáng hôm sau, Kampong Cham thất thủ. Ngay trong sáng ngày 6 tháng 1, lực lượng đột kích Phnom Penh, gồm Trung đoàn 28 của Sư đoàn 10 và các đơn vị phối thuộc, dẫn đầu bởi 6 xe lội nước và một số xe thiết giáp M-113 vượt sông, tổng cộng lực lượng lên đến 120 xe quân sự. Lực lượng đột kích vừa hành quân vừa giao chiến với các ổ phục kích của quân Khmer Đỏ, tới chiều tối đã tới bờ sông Tonglé Sap và tổ chức đánh vượt sông để tiến vào Phnom Penh.[44] Tuy nhiên Quân đoàn 3 đã không kịp chặn đường Chính phủ Polpot rút chạy khỏi Phnom Penh.

Việc quân Việt Nam tiến quá nhanh khiến cho Khmer Đỏ chỉ kịp sơ tán bộ máy lãnh đạo. Son Sen chạy xuyên qua mặt trận ngược về phía Việt Nam để tập hợp tàn quân của các sư đoàn thuộc quân khu miền Đông. Pol Pot, Nuon Chea và Khieu Samphan được vài xe Jeep chở quân bảo vệ chạy về Pursat. Ieng Sary chạy về Battambang trên một chuyến xe lửa đặc biệt chở vài trăm nhân viên Bộ ngoại giao. Việc rút lui khẩn khiến nhiều Bộ khác cùng hàng ngàn nhân viên không được thông báo về cuộc rút lui. Các chuyến xe tiếp theo sơ tán Phnom Penh bị tắc nghẽn bởi quá nhiều người tìm cách bỏ chạy. Như vậy với việc ban lãnh đạo sơ tán, khoảng 40 ngàn dân chúng và binh lính Khmer Đỏ tại Phnom Penh, cũng như các đơn vị phòng thủ các mục tiêu lân cận bị bỏ mặc tự thân vận động.[45]

Ngày 7 tháng 1, quân Việt Nam chiếm sân bay Kampong Chhnang và bắt được mười máy bay A-37, ba C-123K, sáu C-47, ba Alouette III cùng một số T-28. Ngoài ra Khmer Đỏ cũng bỏ lại hàng trăm xe tăng và xe bọc thép, rất nhiều đạn dược và lương thực dự trữ chiến lược[46] mà họ không kịp mang theo.

Ngày 8 tháng 1, Hội đồng Nhân dân Cách mạng Campuchia do Heng Samrin làm Chủ tịch đã được thành lập với sự hậu thuẫn của Việt Nam.

Ở phía Bắc, các sư đoàn của Quân đoàn 3 cũng tiến xuống Phnom Penh, sau đó Sư đoàn 320 theo quốc lộ 4 xuống bình định các tỉnh phía nam. Các sư đoàn còn lại theo các quốc lộ 5 và 6 tiến về hướng Tây và hướng Bắc. Họ gặp sức chống cự đáng kể của quân Khmer Đỏ tại Battambang và Siem Reap.

Hướng nam, Sihanoukville

Tại mặt trận phía nam, từ An Giang, quân Việt Nam bắt đầu vượt biên giới vào ngày 3 tháng 1 năm 1979 và tấn công theo hai hướng. Hướng thứ nhất, Sư đoàn 325 và Sư đoàn 8 tiến về phía Tây, dọc theo quốc lộ số 2. Ngày 5 tháng 1 năm 1979, trong khi lực lượng Quân khu 9 tiến đánh Takéo, sư đoàn 325 bắt đầu tiến theo hướng Tây Bắc. Lực lượng Khmer Đỏ của Quân khu Tây Nam do Ta Mok chỉ huy đã chuẩn bị công sự phòng thủ ở Tuk Meas trên đường 16, ở khoảng giữa biên giới và Chhuk. Phải mất hai ngày giao chiến, Sư đoàn 325 mới có thể đánh tan tuyến phòng ngự của Khmer Đỏ và chiếm được khu vực Tuk Meas. Cùng lúc đó tướng Nguyễn Hữu An cũng tung Sư đoàn 8 theo hướng tây để đánh chiếm quận lỵ Kampong Trach, nằm ở giao điểm với đường quốc lộ ven biển.

Nắm quyền chỉ huy trực tiếp trung đoàn xung kích 24, tướng Nguyễn Hữu An dẫn trung đoàn tiến từ Tuk Meas về Chhuk. Các quân xa của Việt Nam gồm xe tăng hạng nặng, xe tải và trọng pháo di chuyển khó khăn trên đường đất và ruộng lúa nên đã bị quân Khmer Đỏ phục kích phá hủy một số xe và pháo, sở chỉ huy của tướng An cũng bị tổn thất và tạm thời mất liên lạc với các lực lượng còn ở phía sau. Tới chiều ngày 7 tháng 1, lực lượng xung kích đã ra đến đường số 3, và trong quá trình tiến công đã đánh tan sư đoàn quân Khmer Đỏ phòng ngự Chhuk.

Trong hai ngày 4, 5 tháng 1 năm 1979, từ đảo Phú Quốc, hai phân đội Hải quân Việt Nam gồm một số tàu tuần tiễu loại lớn của Mỹ, hai tàu khu trục Petya của Nga, cùng nhiều tàu chiến nhỏ chuẩn bị chuyển Lữ đoàn Hải quân 101 và 126 đổ bộ. Hải quân cũng lập trận địa pháo 130mm ở mũi đảo Phú Quốc để yểm trợ cho lực lượng đổ bộ.

Sẩm tối ngày 6 tháng 1, toán quân đặc công gồm 87 người bí mật đổ bộ và tấn công chiếm một trận địa pháo Khmer Đỏ bảo vệ bờ biển, cùng lúc, pháo 130mm bắt đầu bắn phá các vị trí quân Khmer Đỏ. Lập tức các tàu tuần tiễu loại nhỏ của Khmer Đỏ xuất kích từ quân cảng Ream và các bến cảng nhỏ tấn công vào Hải quân Việt Nam. Sau một trận giao chiến trên biển, do có ưu thế về số lượng và hỏa lực, Hải quân Việt Nam đẩy lùi hoặc đánh chìm hầu hết các tàu Khmer Đỏ, nhưng một tàu của Việt Nam cũng bị trúng đạn, khiến nhiều thủy thủ bị thương vong.[47] Số tàu phóng lôi Khmer Đỏ chạy thoát khỏi cuộc hải chiến và các cuộc không kích của không quân Việt Nam, đến ngày 16 tháng 1 lại bị Hải quân Việt Nam chặn đánh trong vịnh Thái Lan và bị tiêu diệt gần hết.

Tối ngày 7 tháng 1, Lữ đoàn hải quân đánh bộ 126 tiến hành đổ bộ ở chân núi Bokor, nằm ở khoảng giữa thị xã Kampot và cảng Sihanoukville. Lữ đoàn đổ bộ được toàn bộ 3 tiểu đoàn và số xe lội nước, xe bọc thép, nhưng do thủy triều lên cao, không có đủ chỗ triển khai đội hình, nên không đổ bộ được số xe tải, và đến tối, 3 tiểu đoàn nữa theo dự định cũng sẽ đổ bộ lại phải rút ra ngoài.

Theo kế hoạch, lực lượng Hải quân đánh bộ phải triển khai một lực lượng lớn, theo vùng ven biển đánh chiếm cùng lúc hai cây cầu quan trọng và giao điểm Veal Renh dẫn về bán đảo Kampong Som. Tuy nhiên, một chỉ huy lực lượng lính thủy đánh bộ do nóng vội, đã tập hợp tiểu đoàn của mình, chở trên 12 xe tăng và xe bọc thép tiến về Sihanoukville trước khi trời sáng. Đơn vị này bị một lực lượng lớn Khmer Đỏ vây đánh từ chiều, qua đêm đến suốt ngày hôm sau và cuối cùng bị tiêu diệt gần như hoàn toàn. Đến đêm ngày 7 tháng 1, Hải quân mới đổ bộ thêm được 3 tiểu đoàn của Lữ đoàn 126 và 2 tiểu đoàn của Lữ đoàn 101 lên bãi biển, nhưng số xe tải phải đến ngày 8 tháng 1 mới lên bờ được.

Sư đoàn 304 vốn được dùng làm dự bị để tham gia đánh về Phnom Penh, nhưng do Quân đoàn 3 và 4 đã đánh được Phnom Penh từ ngày 7 tháng 1, nên tướng An dùng sư đoàn này để nhanh chóng giải cứu lực lượng lính thủy đánh bộ và đánh chiếm Sihanoukville. Dẫn đầu bởi một đơn vị xe M-113, Trung đoàn 66 của sư đoàn, kế tiếp là Trung đoàn 9 hành quân suốt đêm ngày 9.

Ngày 9 tháng 1, Trung đoàn 66 sau khi gặp lực lượng Hải quân đánh bộ, chuẩn bị giao chiến: không lặp lại sai lầm của Hải quân, Trung đoàn 66 tổ chức chiếm cao điểm xung quanh thành phố trước khi phối hợp với hải quân đánh bộ đánh vào thành phố. Sau khi đánh tan được Sư đoàn 230 Campuchia, quân Việt Nam chiếm được Kampot. Trung đoàn 9 không đến kịp vì một cây cầu sụp đổ khi xe tăng dẫn đầu trung đoàn đi qua. Khi Trung đoàn 9 và Lữ đoàn xe tăng 203 đến thành phố thì Kampot đã rơi vào tay quân Việt Nam, nên lực lượng này được đưa đi đánh quân cảng Ream. Được sự trợ lực của pháo hải quân bắn từ bến cảng lên, cánh quân này chiếm được quân cảng Ream và hải cảng Kampong Som. Tuy nhiên, quân Khmer Đỏ phản công chiếm lại Kampong Som ngày 14 tháng 1, nhưng quân Việt Nam tái chiếm lại vào ngày hôm sau.

Hướng thứ hai, Quân khu 9 phụ trách, tiến về phía Bắc đánh chiếm hai thị xã Tan và Takéo. Các sư đoàn Khmer Đỏ trấn giữ quân khu Tây Nam như Sư đoàn 2, 210, 230, 250, bị tan rã và rút lui vào rừng.

Kết quả

Cuối tháng 1 năm 1979 cuộc phản công của Việt Nam kết thúc thắng lợi. Đến ngày 17 tháng 1 thị xã cuối cùng là Koh Kong rơi vào tay quân đội Việt Nam và chính quyền mới của Campuchia. Từ ngày 23/12/1978 đến 17/1/1979, quân tình nguyện Việt Nam cùng với lực lượng cách mạng Campuchia đã tiêu diệt và làm tan rã 18 sư đoàn Khmer Đỏ (diệt 12.000 lính, bắt 8.800 lính, gọi hàng 3.200 lính và làm tan rã tại chỗ 44.000 lính); giải phóng trên 4 triệu dân Campuchia, thu hồi toàn bộ cơ sở vật chất và phương tiện kỹ thuật quân sự, đập tan bộ máy chính trị của Khmer Đỏ từ trung ương đến cơ sở.[cần dẫn nguồn]

Cho tới cuối tháng 3, quân đội Việt Nam coi như chiếm được hết những thành phố và tỉnh lỵ quan trọng của Campuchia và tiến sát tới biên giới Thái Lan. Tuy nhiên tàn quân Pol Pot vẫn tiếp tục chống cự và quấy nhiễu, gây ra nhiều thương vong cho quân đội Việt Nam đồn trú tại Campuchia.