Cuối năm 1978, mặc dù bị thất bại nặng nề trên vùng biên giới Tây Nam nước ta, chính quyền Pôn Pốt vẫn không từ bỏ ý đồ tiến công xâm lược Việt Nam. Trên hướng tác chiến của Quân đoàn 4, sau khi Trung đoàn bộ binh 3 bị tiêu diệt ở tây bắc Bến Sỏi, địch co về giữ tuyến Đường 10 và Đường 24. Ngày 30-12-1978, chúng triển khai ba sư đoàn bộ binh: Sư đoàn 703 có một trung đoàn giữ Đường 24 từ An Đông Pu tới Kông Pông Trạch, một trung đoàn ở phía Đông Đường 10, Sở Chỉ huy cơ bản Sư đoàn và một trung đoàn ở Tra Piêng Run; Sư đoàn 221 có một trung đoàn giữ đường đất đông Đôn So tới tây bắc Chấc, một trung đoàn ở Đôn So, Đường 10, một trung đoàn ở tây sông Prếch Chăm, Sở Chỉ huy Sư đoàn ở tây nam Đôn So 12 km; Sư đoàn 340 có một trung đoàn giữ Đường 24 từ Tà Hô tới Nam Chấc, một trung đoàn ở tây cầu Tà Yên tới nam Chi Phu, một trung đoàn và Sở Chỉ huy Sư đoàn ở Đường 1, từ tây tây bắc đến đông đông bắc cầu Pra Sốt.
Quân đoàn tham gia cuộc tổng phản công chiến lược của toàn chiến trường với lực lượng khá mạnh: mỗi tiểu đoàn bộ binh từ 250 đến 350 cán bộ, chiến sĩ, cùng một số lượng lớn xe tăng, thiết giáp, pháo mặt đất (85, 105, 155, 130 mm), pháo phòng không (37, 57 mm), phà, xuồng, xe tải chở quân hành tiến. Lực lượng thông tin được tăng cường ba xe tiếp sức. Quân đoàn được phối thuộc Sư đoàn bộ binh 2 (Quân khu 5), năm trung đoàn bộ đội địa phương của tỉnh Tây Ninh, Long An, Đồng Tháp và Quân khu 9; được tăng cường Trung đoàn đặc công 113, một trung đoàn công binh, một trung đoàn vận tải, Trung đoàn Hải quân 962 (Quân khu 9). Trong chiến đấu còn được chi viện trực tiếp hỏa lực của Sư đoàn không quân 372.
Ngày 30 và 31-12-1978, Trung tướng Lê Trọng Tấn, Phó Tổng Tham mưu trưởng Quân đội nhân dân Việt Nam dự họp Đảng ủy Quân đoàn, quán triệt quyết tâm chiến dịch của Bộ, giao nhiệm vụ cho Quân đoàn. Để hoàn thành thắng lợi nhiệm vụ được giao, Quân đoàn tổ chức lực lượng, xác định nhiệm vụ của các đơn vị... Chiến dịch trải qua hai đợt, đợt 1: Tiến công tuyến phòng thủ Đường 10 - Đôn So - Pra Sốt, đánh chiếm các mục tiêu trên trục Đường 1 từ Tà Yên đến Niếc Lương.
Ngày 31-12-1978, phát hiện xe, pháo ta di chuyển trên Đường 24, địch tăng cường phòng thủ Đường 10 - Đôn So; Đường 1: từ tây tây bắc đến đông đông bắc cầu Pra Sốt, Đường 24: Tà Hô - Chấc; đưa thêm mìn, súng B40, B41, ĐKZ, súng cối, xe thiết giáp ra phía trước.
Hướng chủ yếu của Sư đoàn 7 được giao cho Trung đoàn bộ binh 141, được tăng cường lực lượng Tiểu đoàn 8 Trung đoàn 209, xe tăng, thiết giáp, pháo, có nhiệm vụ tiêu diệt cụm địch ở Đôn So, sau đó phát triển theo yêu cầu chiến dịch. Trung đoàn 165 được tăng cường pháo, thực hành vu hồi phía sườn trái; còn Trung đoàn bộ binh (thiếu) làm thê đội 2; Trung đoàn bộ binh 209 (thiếu) làm lực lượng dự bị hai cấp (sư đoàn, quân đoàn), sẵn sàng đánh chiếm Prây Nhây.
Sáng 1-1-1979, các sư đoàn thực hành tiến công. Đến ngày 2-1, do không luồn sâu được, phải đột phá chính diện nên các sư đoàn đều bị địch ngăn chặn. Quân đoàn chưa đánh chiếm được Đường 10- Đôn So và nam bắc Đường 1; bộ đội ta tổn thất lớn. Trước tình hình đó, Quân đoàn lệnh dừng tiến công, chuẩn bị thêm các mặt: Sư đoàn 341 lùi ra làm dự bị, dự định ngày 5-1 mở đợt tiến công mới; chỉ đạo cơ quan, đơn vị kịp thời động viên bộ đội, giữ vững quyết tâm, liên tục tiến công địch.
Khi ta đang tổ chức lại lực lượng, 23 giờ ngày 2-1, trinh sát kỹ thuật Quân đoàn thu được tin Bộ Tổng tham mưu địch lệnh cho toàn bộ lực lượng ở Đường 10 - Đôn So rút về phòng ngự tại Sa Cách, thị xã Prây Veng, Niếc Lương. Nhận định địch sẽ rút trong đêm, Tư lệnh Quân đoàn chỉ thị cho các đơn vị khẩn trương tiến công theo kế hoạch cơ bản. Sư đoàn 341 chuyển sang thọc sâu theo Đường 24, Sa Cách, Niếc Lương. Cụm pháo 130 mm bắn 400 quả vào các nút giao thông trên đường địch rút từ 0 giờ ngày 3-1 đến sáng; Quân đoàn báo cáo, đề nghị Tiền phương Bộ cho máy bay không kích vào đội hình tháo chạy của địch.
Ngày 3-1, được sự chi viện của không quân đánh phá vào trận địa phòng ngự của địch, các mũi của Sư đoàn 7 và Sư đoàn 2 thành hai thê đội theo trục Đường 10 tiến công chiếm Chang Troi, Prây Nhây. Hướng Sư đoàn 341, do đường xấu, xe thiết giáp đến chậm cho nên chiều 3-1 mới cùng hai trung đoàn địa phương của Tây Ninh đánh vào Kông Pông Trạch. 16 giờ, Trung đoàn bộ binh 2 (Sư đoàn 9) từ Chấc theo Đường 24 chiếm ngã ba Tà Hô; Sư đoàn 9 (thiếu) đánh theo Đường 1, bị địch chặn ở đông Pra Sốt.
Tối 3-1, thấy hướng Quân khu 9 và Quân đoàn 2 phát triển thuận lợi, đang tiến công đánh Tà Keo, Quân đoàn 4 tuy có khó khăn ở Đường 10 - Đôn So, nhưng địch đã vỡ, thời cơ tổng tiến công Phnôm Pênh đã đến, Bộ Chỉ huy Tiền phương Bộ Quốc phòng quyết định giao Quân đoàn 2 đảm nhiệm tiến công trên hướng chủ yếu, Quân đoàn 4 đưa một bộ phận đi trước đánh chiếm cầu Mô-ni-vông và Bộ Tổng Tham mưu địch, nếu có điều kiện chiếm Hoàng cung. Thời gian tiến vào Phnôm Pênh theo kế hoạch của trên là ngày 8-1-1979.
Từ sự điều chỉnh của Bộ Chỉ huy Tiền phương, trưa 4-1, Quân đoàn chỉ thị cho các Sư đoàn bộ binh 7 và 341, đơn vị nào đến Niếc Lương trước, nhanh chóng tổ chức một trung đoàn bộ binh cơ giới vượt sông đánh thẳng vào Phnôm Pênh, chiếm các mục tiêu trên giao, sư đoàn (thiếu) tiếp tục phát triển theo. Sư đoàn 9 cho một trung đoàn bao vây địch ở núi Sa Cách, còn đại bộ phận truy kích địch phía nam Đường 1 đến Pem Cho (sát sông Mê Công), bảo vệ sườn trái cho Sư đoàn 7 và bờ đông sông (đoạn Pem Cho - Niếc Lương) cho Trung đoàn Hải quân 962. Sư đoàn 2 truy quét địch, giữ hành lang Đường 10, Đường 1 (đoạn đông và tây Kông Pông Trà Béc)...
Đợt 2, tiến vào giải phóng Phnôm Pênh (từ ngày 5 đến 7- 1 - 1979): Sau khi chọc thủng Đôn So, Prây Nhây, trưa 5-1, Sư đoàn 7 hành tiến theo Đường 1, tiến công một tiểu đoàn bộ binh địch (có xe tăng, thiết giáp) ở Kông Pông Tra Béc, diệt 79 tên, bắt 56 tên, thu hai xe tăng và đến phà Niếc Lương lúc 20 giờ cùng ngày. Sư đoàn 341 gặp đường lầy lội, xe không qua được cho nên Quân đoàn chỉ đạo tiến theo hướng tây nam, chiều 5-1 đến núi Sa Cách; Sư đoàn 2 và Trung đoàn địa phương tỉnh Long An cùng hiệp đồng phát triển ra Pem Cho.
Đêm 5-1, nắm được hướng Quân đoàn 4 phát triển thuận lợi, Quân khu 9 và Quân đoàn 2 gặp khó khăn; Bộ Chỉ huy Tiền phương giao nhiệm vụ: Quân đoàn 4 cùng Binh đoàn 1 Quân đội nhân dân Cam-pu-chia đảm nhiệm hướng tiến công chủ yếu của chiến dịch, giải phóng Phnôm Pênh trước ngày 8-1-1979.
Nhận rõ vinh dự và trọng trách trong nhiệm vụ mới, Thường vụ Đảng ủy, Bộ Tư lệnh Quân đoàn họp, xác định quyết tâm và nhanh chóng lãnh đạo, chỉ đạo và chỉ huy các cơ quan, đơn vị triển khai kế hoạch bảo đảm cho chiến dịch kịp thời. Ngày 6-1, huy động mọi phương tiện hiện có của Quân đoàn và phương tiện tại chỗ đưa bộ đội vượt sông Mê Công; đồng thời bảo đảm hai bên bờ cho Trung đoàn Hải quân 962 tới nhanh nhất để đưa binh khí kỹ thuật nặng sang. Khi đã sang sông đủ lực lượng cần thiết, nhanh chóng hành tiến tới Phnôm Pênh...
Với quyết tâm cao và công tác chuẩn bị khẩn trương, hiệp đồng chặt chẽ, tổ chức chỉ huy kiên quyết, anh dũng chiến đấu của bộ đội, 11 giờ ngày 7-1-1979, các đơn vị của Quân đoàn đã thực hiện đúng kế hoạch, tiến vào giải phóng thủ đô Phnôm Pênh, khu đại sứ quán, các cơ quan trung ương của địch, đài phát thanh và phát triển về phía tây. 11 giờ cùng ngày, sau khi làm chủ xong khu vực Sân vận động Ô-lim-pích, Trung đoàn bộ binh 273 phát triển theo đại lộ Mô-ni-vông, tiến đến khu vực Đài Độc lập và khu vực Bộ Tổng tham mưu của Pôn Pốt, hợp điểm cùng các cánh quân ta và bạn tiến công vào Phnôm Pênh. Đúng 11 giờ 30 phút ngày 7-1 -1979, thủ đô Phnôm Pênh hoàn toàn giải phóng.
Đến 12 giờ ngày 7-1-1979, Quân đoàn 4 và ba tiểu đoàn bộ binh thuộc Binh đoàn 1 của Bạn làm chủ toàn bộ thủ đô Phnôm Pênh. Đến 13 giờ 40 phút cùng ngày, một đơn vị của Quân khu 9 chiếm sân bay Pô Chen Tông. Trung đoàn bộ binh 273 - Sư đoàn 341 đến khu đông Phnôm Pênh, sau đó được lệnh quay xuống tây nam Phnôm Pênh; Trung đoàn bộ binh 270 và 266 theo Đường 1 dừng lại cách thành phố 4 đến 6 km; Sư đoàn 9 phát triển rộng ra đông sông Mê Công, khu vực núi Sa Cách, Ba Nam; Sư đoàn 2 lùng sục địch khu vực nam Đôn So, chiếm thị xã Svây Riêng.
Quân đoàn 4 hoàn thành thắng lợi nhiệm vụ tham gia chiến dịch tiến công giải phóng Phnôm Pênh trên hướng đông đông bắc: tiêu diệt và đánh tan rã sáu sư đoàn địch, phá vỡ tuyến phòng thủ vòng ngoài buộc địch phải rút chạy; kịp thời đánh chiếm Niếc Lương và tiến công thần tốc giải phóng Phnôm Pênh. Trong chiến dịch này, Quân đoàn 4 tham gia đập tan tuyến phòng thủ của địch; thọc sâu, đột phá bằng lực lượng cơ giới, đánh chiếm các mục tiêu, giải phóng các thị xã, thành phố, giúp Bạn giải phóng Phnôm Pênh, làm cơ sở giải phóng đất nước Cam-pu-chia thoát khỏi họa diệt chủng của tập đoàn phản động Pôn Pốt - Iêng Xari.
