Lực lượng Khmer Đỏ khi tháo chạy khỏi Phnom Penh tới biên giới Thái Lan còn khoảng hơn 20 ngàn quân. Được sự hỗ trợ từ Trung Quốc, khi mạnh nhất họ có trong tay tới khoảng 50 ngàn quân. Tuy nhiên cùng với việc các nhà bảo trợ giảm viện trợ và quá trình hòa giải tại Campuchia bắt đầu, hàng ngũ Khmer Đỏ bắt đầu suy yếu. Cuộc chiến tranh kéo dài cũng làm hàng ngũ Khmer Đỏ tiêu hao, "đại bộ phận" (có lẽ khoảng 80%) lực lượng Khmer Đỏ gồm quân tuyển mộ từ sau năm 1979.[3]

Ngay sau khi Việt Nam tiến hành rút quân, Khmer Đỏ tiến hành các chiến dịch phản công lớn, đánh chiếm Pailin, thành lập các căn cứ mới, tiến hành đột kích đánh phá tại các vùng do chính phủ kiểm soát, gây bất an và hoảng loạn trong khắp các tỉnh miền tây Campuchia, tới tận các tỉnh miền bắc như Kompong Thom và miền nam như Kampong Speu và Kampot. Tới năm 1990, Khmer Đỏ có hai căn cứ quan trọng là Anlong Veng và Pailin. Tuy nhiên họ không mở rộng quyền kiểm soát vào sâu trong nội địa được, và phần lớn dân cư Campuchia tiếp tục nằm trong các vùng do chính quyền kiểm soát.[3]

Khmer Đỏ kết luận họ không có nhiều cơ hội thu được ủng hộ từ phiếu bầu của dân chúng. Họ không muốn từ bỏ quyền lực tuyệt đối tại các vùng kiểm soát và giải giáp quân đội để đổi lại việc được chia sẻ quyền lực thông qua thỏa hiệp thành lập chính phủ liên hiệp và bầu cử tự do. Tuy nhiên việc này đã dẫn đến sự chia rẽ và bất mãn nghiêm trọng trong hàng ngũ Khmer Đỏ. Đa phần binh lính Khmer Đỏ là những lính tuyển mộ sau giai đoạn 1975 – 1979,[59] những thành phần này ngày càng mệt mỏi vì chiến tranh, mà họ lại phải gánh vác phần tổn thất[3]. Hàng ngũ lãnh đạo Khmer Đỏ phân rã, Son Sen và Ieng Sary bị đưa ra khỏi ban lãnh đạo, nay bao gồm chỉ có Pol Pot, Ta Mok và Khieu Samphan.

Việc Khmer Đỏ từ chối tham gia quá trình thỏa hiệp chính trị cũng gây ra phản ứng bất lợi cho họ. Cộng đồng quốc tế dần ít quan tâm đến Campuchia, hỗ trợ bên ngoài cho Khmer Đỏ giảm dần rồi ngưng hẳn. Trung Quốc cũng bỏ rơi Khmer Đỏ, thay vào đó bắt đầu viện trợ kinh tế, rồi quân sự cho chính phủ liên hiệp Campuchia.[3] Khmer Đỏ tiếp tục các hoạt động quân sự phá hoại, kích động hằn thù chống Việt Nam và tàn sát hàng trăm kiều dân Việt Nam, làm hàng ngàn người khác phải chạy tị nạn, gây ra cuộc khủng hoảng người tị nạn lớn nhất kể từ khi LHQ tiếp quản Campuchia.

Năm 1994, chính phủ Campuchia mở chiến dịch quân sự lớn đánh vào căn cứ Pailin của Khmer Đỏ. Chiến dịch này khởi đầu thuận lợi, quân chính phủ lần lượt đánh chiếm Phnom Chhat, Anlong Veng và Pailin,[60] nhưng Khmer Đỏ với lực lượng ít hơn nhiều nhanh chóng phản công và tái chiếm các khu vực bị chiếm, liên tiếp đánh bại quân chính phủ trong các cuộc giao chiến. Quân Khmer Đỏ truy kích quân chính phủ, uy hiếp tận Battambang. Quân Khmer Đỏ của Ieng Sary định chiếm thành phố này, nhưng không được, cũng như không giữ được các khu vực mà họ mới chiếm được.[3] Quân chính phủ cũng mất hơn 20 xe tăng và xe bọc thép, cũng như khoảng 10 pháo vào tay Khmer Đỏ.[61] Tương quan trên chiến trường không thay đổi khi chiến sự kết thúc.

Tuy giành được thắng lợi quân sự, khủng hoảng trong nội bộ Khmer Đỏ không suy giảm. Mất đi viện trợ lương thực, hàng hóa, bị buộc phải tự cung tự cấp, phải rời các khu trại tị nạn vốn được quốc tế viện trợ thuốc men, thực phẩm, tinh thần dân chúng trong các khu vực Khmer Đỏ kiểm soát giảm sút. Việc giới lãnh đạo Khmer Đỏ kêu gọi tiếp tục chiến tranh không được các thành viên Khmer Đỏ cấp thấp ủng hộ.[62] Quân Khmer Đỏ tiếp tục rã ngũ ra hàng chính phủ, khiến giới lãnh đạo Khmer Đỏ phải tiến hành các cuộc "thanh trừng" mới để ngăn chặn. Theo Youk Chhang, giám đốc Viện Dữ liệu Campuchia, có khoảng 3.000 người bị tàn sát và chôn trong các mộ tập thể tại Anlong Veng từ năm 1993 tới 1997.[3] Các cuộc tàn sát này được tiến hành bởi các sĩ quan dưới quyền Ta Mok.[63]

Việc Khmer Đỏ tiến hành "tự cung tự cấp" dẫn đến việc hình thành một nhóm lãnh chúa mới tại các khu vực Khmer Đỏ kiểm soát, là các sĩ quan cấp cao của Khmer Đỏ kiểm soát khu vực này.[64] Họ tiến hành các hoạt động buôn lậu gỗ, đá quý, hàng hóa để duy trì quân đội, nhưng đồng thời việc này cũng làm yếu đi sự kiểm soát từ ban lãnh đạo Khmer Đỏ, và những viên lãnh chúa này cũng dễ tìm kiếm thỏa hiệp với chính quyền mới ở Campuchia.[3]

Quân Khmer Đỏ bắt đầu đào ngũ hàng loạt năm 1996, khi khoảng một nửa trong số binh sĩ còn lại đào ngũ. Các chỉ huy Khmer Đỏ như Y Chhean và Sok Pheat theo Ieng Sary đào ngũ về phe chính phủ với điều kiện binh lính Khmer Đỏ sẽ được ân xá, còn các chỉ huy Khmer Đỏ tiếp tục được quản lý lãnh thổ cũ của mình. Son Sen đưa quân đến để trừng trị "bọn phản bội", nhưng lính Khmer Đỏ nổi loạn và nhanh chóng gia nhập phe đào ngũ. Khmer Đỏ như vậy mất khoảng 4.000 binh sĩ và tất cả các căn cứ ở phần biên giới phía nam, từ Samlaut cho tới Phnom Chhat. Tới cuối năm, Khmer Đỏ lần lượt mất tất cả các căn cứ nằm trong nội địa Campuchia.[65] Năm 1997, hai phe nhóm chính trong chính phủ liên hiệp Campuchia xung đột, khiến Hoàng thân Norodom Ranariddh tìm kiếm ủng hộ từ một số thủ lĩnh Khmer Đỏ, trong khi vẫn từ chối thỏa hiệp với Pol Pot.[53][66] Việc này dẫn đến cuộc xung đột phe phái đẫm máu trong giới lãnh đạo Khmer Đỏ, rốt cục khiến Pol Pot bị bắt giữ, bị xét xử và bị giam cầm bởi lực lượng Khmer Đỏ của Ta Mok. Pol Pot chết tháng 4 năm 1998. Khieu Samphan đầu hàng chính phủ tháng 12 cùng năm.

Tới 29 tháng 12 năm 1998, các thủ lĩnh Khmer Đỏ còn lại xin lỗi vì cuộc diệt chủng trong những năm 1970. Tới năm 1999, hầu hết lực lượng Khmer Đỏ còn lại hạ vũ khí đầu hàng hoặc bị bắt. Tháng 12 năm 1999, Ta Mok và các thủ lĩnh còn lại đầu hàng, Khmer Đỏ trên thực tế chấm dứt sự tồn tại.