Khi Chiến tranh Việt Nam mở rộng quy mô, kéo thêm sự can thiệp quân sự của Hoa Kỳ vào Việt Nam, năm 1966, Bộ chỉ huy Viện trợ Quân sự Mỹ tại Việt Nam đã quyết định mở rộng sân bay này để có thể phục vụ cho những đơn vị máy bay phản lực và trực thăng Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng Hòa sẵn sàng tham chiến.

Sau khi quân Mỹ rút khỏi Việt Nam theo những điều khoản của Hiệp định Paris 1973, căn cứ này được bàn giao lại cho Sư đoàn 6 Không lực Việt Nam Cộng hòa, thuộc quyền quản lý của Quân khu II.

Cuối tháng 3 năm 1975, toàn bộ Tây Nguyên, các tỉnh Phú Yên, Bình Định đều do các lực lượng của Quân đội Nhân dân Việt Nam và Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam chiếm giữ. Quân đoàn 1 Việt Nam Cộng hòa cũng bị tan rã hoàn toàn. Sức tiến công của Quân đội Nhân dân Việt Nam và Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam đã gia tăng mạnh mẽ lên các tỉnh còn lại của Quân khu II Việt Nam Cộng hòa, ngày 1 tháng 4 năm 1975, Thiếu tướng Phạm Văn Phú và các sĩ quan của Bộ Tư lệnh Quân đoàn 2 đã di chuyển về đóng tại căn cứ Phan Rang để chuẩn bị cho việc giải thể toàn bộ quân đoàn 2 và bàn giao địa bàn cho quân đoàn 3. Ngày 3 tháng 4 năm 1975, Quân đoàn 2 và Quân khu 2 Việt Nam Cộng hòa chính thức bị xóa sổ.

Nhằm cứu vãn tình thế, Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu đã ra lệnh thành lập phòng tuyến Phan Rang để ngăn chặn đà tiến của Quân đội Nhân dân Việt Nam và Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam. Ngày 4 tháng 4 năm 1975, Bộ Tư lệnh Tiền phương Quân đoàn 3 được thành lập tại căn cứ Không quân Phan Rang do Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi giữ chức Tư lệnh Tiền phương, kiêm chỉ huy trưởng Mặt trận Phan Rang. Tuy nhiên, đến ngày 16 tháng 4 thì Phan Rang thất thủ. Căn cứ Thành Sơn rơi vào tay Quân đội Nhân dân Việt Nam và Quân Giải phóng Miền Nam Việt Nam.[2] Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi và Chuẩn tướng Phạm Ngọc Sang, Tư lệnh Sư đoàn 6 Không quân, phụ trách căn cứ Không quân Phan Rang đều bị bắt sống.