Sau 12 tuần lễ liên tục tổng công kích với sự hỗ trợ hỏa lực tối đa của quân đội Hoa Kỳ, đến giữa đêm ngày 15 rạng ngày 16 tháng 9 năm 1972, lực lượng Thủy quân Lục chiến đã tiến vào thị xã Quảng Trị và kiểm soát toàn bộ khu vực Cổ Thành. Rạng sáng ngày 16 tháng 9 năm 1972, hai tiểu đoàn 3 và 6 Thủy quân Lục chiến từ các vị trí vừa chiếm được trong Cổ Thành, đã bung ra lục soát và đánh các chốt còn lại của Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam. Đến 8 giờ sáng ngày 16 tháng 9 năm 1972, một toán Cọp Biển của tiểu đoàn 6 Thủy quân Lục chiến đã dựng cờ của Việt Nam Cộng hòa trên cổng tường phía Tây Cổ Thành Quảng Trị, biểu tượng cho việc Quân lực VNCH đã hoàn tất cuộc tái chiếm Cổ Thành Quảng Trị. Trong trận chiến này, Hoa Kỳ đã ném xuống Quảng Trị khoảng 328 nghìn tấn bom, tương đương với sức công phá của 7 quả bom nguyên tử mà Mỹ đã ném xuống Hiroshima (Nhật Bản) năm 1945 và đã phá hủy hoàn toàn 1 vạn ngôi nhà và tòa Thành cổ.

Vài phút sau đó, chuẩn tướng Bùi Thế Lân - tư lệnh Sư đoàn Thủy quân Lục chiến đã báo tin tái chiếm thành công Thành cố đến trung tướng Ngô Quang Trưởng, tư lệnh Quân đoàn 1 kiêm tư lệnh chiến dịch tái chiếm Quảng Trị. Ông này đã gọi máy về Sài Gòn để tường trình lên Tổng thống VNCH Nguyễn Văn Thiệu và đại tướng Tổng tham mưu trưởng, sau đó tướng Ngô Quang Trưởng đã gửi bưu điệp tuyên dương công trạng Sư đoàn Thủy Quân Lục Chiến.

Theo ghi nhận của trung tướng Ngô Quang Trưởng, trong 10 ngày cuối của trận chiến tại trung tâm thị xã Quảng Trị và Cổ Thành, có 2.767 binh sĩ Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam đã chết, 43 bị bắt sống. Về phía Thủy quân Lục chiến của Quân lực VNCH, trung bình mỗi ngày có 150 binh sĩ Cọp Biển chết trận, chưa tính tổn thất của các đơn vị khác. Chiều ngày 16 tháng 9 năm 1972, sau khi đánh bật Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam ra khỏi trung tâm thị xã và tái chiếm toàn khu vực Cổ Thành, 6 tiểu đoàn Thủy quân Lục chiến đã bung rộng để triệt hạ các chốt kháng cự cuối cùng trong Cổ Thành và nới rộng vùng kiểm soát.[cần dẫn nguồn]

Theo cuốn Một thời hoa lửa của Nhà xuất bản Trẻ thì từ mồng 10 tháng 9, Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam bị thương vong nhiều. Như hai tiểu đoàn mới vào thành (K3 và K8) cũng đã tổn thất nặng. Riêng Tiểu đoàn 4 Trung đoàn 95 vào thành chiến đấu ngày 13 tháng 7 có quân số gần đủ, với 67 đảng viên và nhiều vũ khí, khí tài mạnh; đến ngày 10 tháng 9 đã chết trên 100 người, bị thương trên 700 (tính cả số bổ sung từng ngày) và lúc rút ra chỉ còn 12 đảng viên chưa bị thương vong.

Do đó hành động của tư lệnh chiến dịch vào buổi giao ban sáng 16 tháng 9 và tiếp sau đó lệnh phòng ngự tả ngạn sông Thạch Hãn vào chiều 16 tháng 9 là thích hợp với tình hình thực tế. Kết thúc trận đánh, chỉ riêng Sư đoàn Thủy quân Lục chiến của VNCH đã có 3.658 binh sĩ tử trận, chiếm 25% quân số toàn sư đoàn[22], tổng số thiệt mạng của tất cả các đơn vị VNCH là 7.756, cùng với nhiều ngàn lính khác bị thương. Phía Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam tử trận khoảng 4.000 đến một vạn người[23] Cả hai bên đều bị tổn thất lớn sau trận đánh này.

Tuy để mất thị xã Quảng Trị và Thành cổ nhưng Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam vẫn giữ được hai căn cứ bàn đạp Tích Tường, Như Lệ, Phước Môn, Tân Téo phía Tây và Bích La, An Lộng, Chợ Sãi, Nại Cửu, Long Quang ở phía Đông trên hữu ngạn sông Thạch Hãn. Ngoài ra, sư đoàn 324 vẫn chiếm giữ các vị trí cực tây Quảng Trị. Đây là những mục tiêu mà quân đội VNCH đã tiếp tục tìm cách giành lại bằng các chiến dịch trong giai đoạn sau, nhưng các chiến dịch này đều bị Quân Giải phóng miền Nam Việt Nam bẻ gãy cho tới khi Hiệp định Paris được ký kết.