与守军一样，攻方此时也损失惨重，精疲力竭。然而，充足的后备军迅速填补了越方损失。来自中国的补给帮助了越军迅速恢复攻击力。4月29日，越方向法军主阵地发动总攻。数百门越军火炮，同时开炮，把数以万计的炮弹倾泻在纵横不过千米的法军阵地上，通过地道埋设在敌钢骨工事下方的巨型地雷也同时起爆。法军阵地顿时化为火海。3.5万名越军生力军，从不同方向，冲进法军堑壕线。法军弹尽援绝，斗志全失，经不起越军泰山压顶般的最后攻势，终于崩溃。
1954年5月7日下午5时30分，法将卡斯特里在向其上司作了最后一次绝望报告后，率奠边府法军主阵地守军残部投降。企图突围的伊萨贝尔据点法军残部在突围途中悉数被歼——仅漏网10余人。
经过56天决战，奠边府易手。驻守奠边府的1.6万名法军中，6000人被俘，6000人受伤，余皆阵亡。除损失了全部人员和装备外，法军还损失了64架飞机。越南民主共和国是奠边府之战确定无疑的胜利者，但也损失惨重。越军人员伤亡甚至超过法军损失。
法军在奠边府失败的原因，在于高估了法军战斗力和空运补给能力，同时又低估了越军战斗力和穿越丛林维持万人大军供应的能力。实际上，奠边府法军不是一支真正的法国军队，它包括法国人、德国人、西班牙人、摩洛哥人、阿尔及利亚人等不下10余个民族，语言庞杂，这限制了战斗力。法军飞机也不足以长期供应一支万人大军保持战斗力不衰。而越军却人力充裕，物资供应充足，炮火猛烈、准确，士气高昂，处处与法军形成对照。法军脱离实际的一高一低两种估计，又导源于欧、美白种人对亚洲人盲目的优越感以及对欧、美军事技术、战术的高度迷信。奠边府之战使法国政府认识到自身力量的限度。越南民主共和国不但要求彻底独立，而且具备实现这一目标的雄厚实力。不久，法国政府在日内瓦会议上承认了越南民主共和国，并放弃了在印度支那重建其殖民帝国的计划。从这个意义上看，奠边府之战是越南人民摆脱殖民统治，实现民族独立的一场战略决战，同时也是亚洲各国反对殖民主义斗争的最后一场决战。