Với những toan tính đó, địch tập trung ở đây một lực lượng mạnh, bao gồm Sư đoàn 6 không quân, Lữ đoàn 2 dù, Sư đoàn 2 bộ binh, Liên đoàn 31 biệt động quân và bảo an dân vệ ở tiểu khu Ninh Thuận... do viên Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi chỉ huy, đóng sở chỉ huy tiền phương tại sân bay Thành Sơn (nằm ở bắc Phan Rang 10km).

Toàn bộ lực lượng địch với hơn mười nghìn tên, được trang bị đầy đủ và yểm trợ mạnh mẽ của pháo binh, cả mặt đất lẫn dưới biển và  hơn 150 máy bay; được tổ chức phòng ngự liên hoàn chặt chẽ, trên một địa hình có lợi. Với lực lượng lớn, lại được chi viện mạnh của cả hải quân và không quân, chỉ huy quân đội Sài Gòn hy vọng chặn đứng được cánh quân Duyên Hải trước cửa ngõ Phan Rang. Chúng ra sức hò hét, động viên binh  sĩ "tử thủ".

Về phía ta, quán triệt quyết tâm của Bộ Chính trị BCH T.Ư Ðảng là giải phóng hoàn toàn miền nam trong tháng 4/1975, với khí thế "một ngày bằng 20 năm", bằng quyết tâm "thần tốc, táo bạo, bất ngờ, chắc thắng", Trung tướng Lê Trọng Tấn, Phó Tổng Tham mưu trưởng, Tư lệnh Cánh quân Duyên Hải, ra lệnh cho Sư đoàn bộ binh 3 khẩn trương đánh chiếm Phan Rang, mở thông đường tiến quân về giải phóng Sài Gòn.

5 giờ 30 phút ngày 14/4/1975, pháo binh ta bắt đầu bắn cấp tập mở màn trận đánh vào tuyến phòng thủ Phan Rang của địch. Tiếp theo, các chiến sĩ Sư đoàn bộ binh 3 dũng mãnh tiến công đánh chiếm các mục tiêu được phân công dọc theo đường 1 và lân cận, như quận lỵ Du Long, các điểm cao 105, 300, Ba Râu, Suối Vàng, Suối Ðá... Cuộc chiến đấu trên tất cả các mũi, các hướng diễn ra quyết liệt, giằng co giữa ta và địch. Bộ binh địch được  sự yểm trợ mạnh mẽ của phi pháo, dựa vào hệ thống công sự, hầm hào kiên cố, vững chắc và các địa hình có lợi, ngoan cố chống cự. Phía Sư đoàn 3 của ta qua hai ngày chiến đấu khá chật vật (tính đến cuối ngày 15/4), mới đánh chiếm được một số mục tiêu nhỏ.

Trước tình hình tuyến "phòng thủ từ xa" Phan Rang có nguy cơ thất thủ, ngày 15/4, Trần Văn Ðôn, Phó Thủ tướng kiêm Tổng trưởng Quốc phòng và Nguyễn Văn Toàn, Tư lệnh Quân đoàn 3 ngụy vội vàng đáp máy bay tới Thành Sơn thị sát tình hình và chỉ đạo, khích lệ tinh thần binh sĩ chiến đấu và quyết giữ bằng được Phan Rang.

Trong khi Sư đoàn 3 đang tiến công Phan Rang thì lực lượng Quân đoàn 2 của ta  từ phía Ðà Nẵng tràn xuống nhanh chóng tiến về phía Phan Rang. Sư đoàn bộ binh 325 của Quân đoàn 2 khẩn trương được tung vào phối hợp chiến đấu với Sư đoàn 3 của Quân khu 5 và một phương án tiến công Phan Rang mới đã được Bộ Tư lệnh Quân đoàn 2 và Sư đoàn 3 quyết định.

Nghiên cứu phản ứng của địch qua hai ngày trước đó, Bộ Tư lệnh Quân đoàn 2 nhận thấy địch triệt để lợi dụng sức mạnh phi pháo yểm trợ cho bộ binh giữ các trận địa phòng ngự. Do địa hình phức tạp của Phan Rang, các lực lượng ta tiến đánh gần chỉ như triển khai được trên một hướng, cho nên địch dựa vào các điểm cao và địa hình có lợi, tổ chức thành các cụm phòng thủ nối tiếp, liên hoàn theo trục đường 1.

Khi cụm ngoài bị vỡ, địch lui về giữ cụm sau, làm bàn đạp phản công, khôi phục trận địa đã mất. Nhưng, chúng cũng có một số điểm yếu, do lực lượng phải dàn mỏng, tính cơ động trong phòng ngự kém, lực lượng cơ động ít. Nếu ta khống chế được sân bay, kiềm chế được các trận địa pháo, tổ chức tiến công nhanh, mạnh, dồn dập, bất ngờ, quân địch ở đây sẽ nhanh chóng bị rối loạn và tan vỡ.

Từ những phân tích khoa học trên, Quân đoàn quyết định thực hiện cách đánh tiến công trong hành tiến, tổ chức một lực lượng thọc sâu mạnh, dùng xe tăng kết hợp xe bánh hơi vận chuyển lực lượng của Sư đoàn 325 phát triển theo đường 1, chọc thẳng đánh chiếm thị xã Phan Rang, rồi tỏa ra các hướng, đánh chiếm các mục tiêu khác.

Ðúng 5 giờ ngày 16/4/1975, hàng trăm xe ô-tô và tăng, thiết giáp chở bộ binh Sư đoàn 325 của ta phối hợp chặt chẽ với pháo binh ào ạt tiến đánh thị xã theo trục đường 1. Trước sức tiến công như vũ bão của quân ta trên các hướng, đến 7 giờ sáng cùng ngày, ta làm chủ thị xã và triển khai  đánh chiếm cảng Tân Thành, Ninh Chữ, sân bay Thành Sơn... Ðược tin thị xã bị đánh chiếm, nhưng tướng ngụy Nguyễn Vĩnh Nghi vẫn hy vọng có thể chặn đứng được lực lượng ta đang tiếp tục tiến vào Phan Rang và thực hiện bao vây, cô lập, tiêu diệt lực lượng ta đã thọc sâu vào thị xã.

Vì vậy, hướng tiến quân của hai tiểu đoàn 2 và 3, Trung đoàn 101, đã bị phi pháo, máy bay địch đánh chặn dữ dội, gây cho ta một số thương vong. Nhận thấy chỉ có thể đánh chiếm được sân bay Thành Sơn là nguồn tiếp tế duy nhất của địch thì mới nhanh chóng bẻ gãy dứt điểm sự kháng cự cuối cùng của chúng cho nên Bộ Tư lệnh Quân đoàn 2 quyết định sử dụng một lực lượng đột kích mạnh đánh chiếm sân bay. Ðến 9 giờ 30 phút, ta hoàn toàn làm chủ sân bay, thu gần 40 máy bay còn nguyên vẹn và tối cùng ngày, tướng Nguyễn Vĩnh Nghi cùng toàn bộ các sĩ quan chỉ huy tuyến phòng thủ Phan Rang bị bắt sống.

"Lá chắn thép" Phan Rang bị vỡ đã mở toang đường tiến quân của các lực lượng ven biển ta về phía Sài Gòn, uy hiếp dữ dội, phá vỡ tuyến phòng thủ có thể coi là mạnh nhất của địch ở Xuân Lộc-Long Khánh.

Trận tiến công Phan Rang trong hành tiến bằng sức mạnh hiệp đồng binh chủng của cánh quân Duyên Hải thắng lợi giòn giã. Ta đã tiêu diệt, bắt gọn Bộ Tư lệnh tiền phương Quân khu 3, Bộ Tư lệnh Sư đoàn 6 không quân, Bộ Tư lệnh Sư đoàn 2 bộ binh ngụy; tiêu diệt và làm tan rã Lữ đoàn 2 dù, Liên đoàn biệt động 31,  toàn bộ lực lượng của tiểu khu Ninh Thuận... thu 40 máy bay, 60 khẩu pháo cùng nhiều trang bị kỹ thuật; giải phóng hoàn toàn thị xã Phan Rang và tỉnh Ninh Thuận với 320.000 dân, góp phần đập tan âm mưu của Mỹ-ngụy định ngăn chặn các lực lượng của ta từ xa để củng cố thế trận của chúng ở Sài Gòn - Gia Ðịnh. "Lá chắn thép" Phan Rang bị vỡ đã mở toang đường tiến quân của các lực lượng ven biển ta về phía Sài Gòn, uy hiếp dữ dội, phá vỡ tuyến phòng thủ có thể coi là mạnh nhất của địch ở Xuân Lộc-Long Khánh.

Chiến thắng Phan Rang đã chứng tỏ sức đột kích mạnh, tính cơ động cao, tư tưởng thần tốc, táo bạo, khả năng tổ chức vận dụng linh hoạt chiến thuật tiến công bằng sức mạnh hiệp đồng binh chủng của cán bộ, chiến sĩ Quân đoàn 2 và Sư đoàn 3 bộ binh của ta. Ðồng thời, cùng với đòn tiến công chiến lược Tây Nguyên, đòn tiến công Trị Thiên-Huế, Ðà Nẵng, chiến thắng to lớn ở Phan Rang đã góp phần làm thay đổi so sánh thế và lực trên chiến trường, tạo ra sự nhảy vọt về cục diện chiến tranh hoàn toàn có lợi cho ta, trực tiếp đập tan ý định co cụm chiến lược của địch, tạo điều kiện và thời cơ thuận lợi để ta đẩy nhanh cuộc tổng tiến công chiến lược, tập trung lực lượng áp đảo cho trận quyết chiến chiến lược cuối cùng tại sào huyệt địch ở Sài Gòn.