Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho hướng chủ yếu của Chiến dịch Nam - Ngãi phát triển, ngày 5/3/1975, Sư đoàn 3 sử dụng một bộ phận lực lượng đánh cắt đường 19 (đoạn qua đèo An Khê). Cùng thời gian này, bộ đội đặc công và công binh của tỉnh Quảng Đà tập kích kho đạn Sủng Mây, bãi xe cơ giới Xuân Thiều, đánh sập cầu Trăng và cắt đường 1 (đoạn trên đèo Hải Vân).

Với chủ trương đánh nhanh, diệt gọn để chiếm lĩnh bàn đạp đánh địch phản kích, Sở Chỉ huy Tiền phương Quân khu quyết định sử dụng: Lữ đoàn 52 diệt cứ điểm Suối Đá; Trung đoàn 31 và Trung đoàn 38 Sư đoàn 2 diệt Chi khu quân sự quận lỵ Tiên Phước; Trung đoàn 36 tăng cường Sư đoàn 2 bao vây, bức hàng quân lỵ Phước Lâm khi các đơn vị bạn đã giải quyết xong các mục tiêu then chốt.

Đúng 4 giờ 30 phút sáng ngày 10/3/1975, trên hướng chủ yếu chiến dịch, ta nổ sung tiến công, đánh chiếm Tiên Phước, Phước Lâm, mở màn Chiến dịch Nam - Ngãi. Sau hai tiếng súng hiệu lệnh, các đơn vị đồng loạt tiến công đánh chiếm các mục tiêu đã định. Chiến sự diễn ra quyết liệt ngay từ đầu. Chiều cùng ngày, ta lần lượt làm chủ Căn cứ Suối Đá, Điểm cao 211 và quận lỵ Tiên Phước, Phước Lâm, uy hiếp trực tiếp thị xã Tam Kỳ. Nếu như chiến thắng Buôn Ma Thuột làm rung chuyển toàn bộ Quân khu 2 ngụy thì “chiến thắng Tiên Phước - Phước Lâm, giải phóng hoàn toàn huyện Tiên Phước làm vỡ thế trận nam Quân khu 1 ngụy, tạo điều kiện thuận lợi để giải phóng Tam Kỳ, Quảng Ngãi, rồi Đà Nẵng”.

Trước nguy cơ mất Tam Kỳ, Tư lệnh Quân đoàn 1 - Quân khu 1 ngụy Sài Gòn - tướng Ngô Quang Trưởng lệnh cho Sư đoàn 2 ngụy Sài Gòn phải tổ chức phản kích chiếm lại các địa bàn đã mất. Ngày 11/3, địch điều Liên đoàn 12 biệt động quân cùng 1 tiểu đoàn bảo an, 1 chi đoàn xe bọc thép (Chi đoàn 1/11) từ Tuần Dương tiến lên Cẩm Khê, Dương Côn; ngày 12/3, Trung đoàn 5 Sư đoàn 2 ngụy mới từ Quảng Ngãi ra cùng 2 tiểu đoàn bảo an, 1 chi đoàn thiết giáp (Chi đoàn 1/4) đánh lên Dương Leo, Dãy Thám; tăng cường Trung đoàn 2 Sư đoàn 3 ngụy từ Quảng Đà vào Tam Kỳ để tăng cường cho lực lượng phản kích.

Tuy nhiên, địch chưa kịp hành động thì lực lượng vũ trang địa phương ba tỉnh Quảng Đà, Quảng Nam và Quảng Ngãi nổ súng đánh ở khắp nơi. Binh lực bị phân tán, dàn mỏng, tư tưởng hoang mang, chiến lược bế tắc, địch phải chuyển ý đồ từ phản kích giải tỏa sang phòng ngự bị động. Đến ngày 20/3, toàn bộ lực lượng phản kích của địch lui về chiếm giữ tuyến điểm cao Dương Huê, Dãy Thám, đông Suối Đá, đông Dương Côn... Ở Quảng Ngãi, địch rút bỏ hai quận lỵ Trà Bồng và Sơn Hà, đưa quân về tăng cường phòng ngự trên tuyến đường 1.

Diễn biến chiến sự trên toàn chiến trường miền Nam thay đổi từng giờ. Thực hiện sự chỉ đạo của Bộ Chính trị, ngày 23/3, Thường vụ Khu ủy và Thường vụ Quân khu ủy Quân khu 5 quyết định đẩy nhanh tốc độ tiến công, giải phóng toàn Khu trong thời gian ngắn nhất. Thường vụ Khu ủy, Thường vụ Quân khu ủy, Bộ Tư lệnh Quân khu 5 hạ quyết tâm: Tiêu diệt Sư đoàn 2 ngụy, giải phóng Tam Kỳ, Quảng Ngãi, hình thành thế chia cắt chiến dịch có ý nghĩa chiến lược; tiếp theo phát triển tiến công đánh chiếm căn cứ liên hợp quân sự Đà Nẵng, giải phóng hoàn chỉnh Đà - Nam - Ngãi.

Sáng sớm ngày 24/3, trận tiến công giải phóng thị xã Tam Kỳ bắt đầu. Cuộc tiến công dũng mãnh, phối hợp nhịp nhàng giữa bộ binh, pháo binh và xe tăng, xe bọc thép của Sư đoàn 2 đã đánh tan 6 tiểu đoàn quân chủ lực ngụy, đập tan tuyến ngăn chặn cuối cùng cùng địch ở phía tây thị xã. Được tin địch rút chạy, Trung đoàn 1 (Trung đoàn Ba Gia) phối hợp với Trung đoàn 31 tiến công thị xã. Đến 11 giờ cùng ngày, ta giải phóng hoàn toàn thị xã Tam Kỳ.

Ở phía nam thị xã Tam Kỳ, Trung đoàn 36 đánh chiếm cầu Bà Bầu, rồi phát triển xuống An Xuân, tiến công giải phóng quận lỵ Lý Tín, cắt đứt đường tháo chạy của tàn quân địch về hướng Chu Lai. Ở phía bắc, Trung đoàn 38 cùng một bộ phận xe tăng đánh cắt đường 1 ở Chiên Đàn. Tuy nhiên, do ta tiến công chậm nện một bộ phận địch ở Tam Kỳ chạy thoát. Ở phía đông, Tiểu đoàn 70 và Tiểu đoàn 72 cùng lực lượng địa phương Quảng Nam đánh chiếm xã Kỳ Trung và cầu Kỳ Phú, cùng nhân dân nổi dậy giải phóng các xã ven biển.

Khi các trận đánh ở Huế, Tam Kỳ, Quảng Ngãi đang bước vào giai đoạn khẩn trương nhất, ngày 24/3/1975, Bộ Tổng Tư lệnh nhận định tầm quan trọng của chiến thắng Nam - Ngãi: “Sau khi mất Huế và Tam Kỳ, Quảng Nam, Quảng Ngãi, dù địch có muốn giữ Đà Nẵng cũng không thể được”.

Tại Quảng Ngãi, từ ngày 21/3, lực lượng vũ trang địa phương đã cắt đứt đường 1 (đoạn từ Châu Ổ đến Dốc Sỏi). Con đường tháo chạy duy nhất của địch đã bị chặn đứng. Ở một số địa phương, nhân dân nổi dậy phá ách kìm kẹp của địch, giành quyền làm chủ. Nhận định thời cơ giải phóng tỉnh đã chín muồi, Bộ Tư lệnh Quân khu lệnh cho Lữ đoàn bộ binh 52 khẩn trương hành quân vào tăng cường cho Quảng Ngãi.

Đêm 23/3, Thường vụ Quân khu ủy và Bộ Tư lệnh Quân khu 5 lệnh cho các lực lượng ở Quảng Ngãi nổ súng.

7 giờ sáng ngày 24/3, Trung đoàn pháo binh 576 (Đoàn pháo binh Ba Tơ) nã đạn pháo dồn dập vào các vị trí địch ở trung tâm thị xã Quảng Ngãi. Khi pháo vừa chuyển làn, các hướng đồng loạt tiến công dồn dập ở tất cả các hướng vào thị xã. Thời gian này, bộ đội địa phương các huyện Mộ Đức, Đức Phổ đánh chiếm núi Võng, Căn cứ Gò Hội; Trung đoàn 94 và công binh tỉnh đánh chiếm núi Vỏ, phá sập cầu Ô Sông; đường 1 đoạn từ Sơn Tịnh đi Bình Sơn bị cắt đứt hoàn toàn.

14 giờ cùng ngày, địch ở thị xã Quảng Ngãi bắt đầu tháo chạy theo đường 1 về Chu Lai, bị lực lượng ta chặn đánh.

Lúc 23 giờ 30 phút ngày 24/3, ta làm chủ thị xã Quảng Ngãi. Đến sáng ngày 25/3, toàn tỉnh Quảng Ngãi được giải phóng.

Ngày 26/3, tàn quân địch ở Chu Lai cũng rút chạy.

Chiến dịch Nam - Ngãi thắng lợi, ta loại khỏi vòng chiến đấu hơn 10.000 tên địch; giải phóng hoàn toàn tỉnh Quảng Ngãi, đại bộ phận tỉnh Quảng Nam.