Sau khi thống nhất quyết tâm chiến dịch, Việt Nam và Lào quyết định thành lập Bộ chỉ huy chiến dịch. Về quy mô tổ chức lực lượng phối hợp tác chiến, phía Việt Nam có Đại đoàn 308 và một số đơn vị trực thuộc, Trung đoàn Bộ binh 148 (chủ lực khu Tây Bắc), Đoàn 82 Quân tình nguyện (4 đại đội độc lập, 1 đại đội vũ trang tuyên truyền). Phía Lào có 1 đại đội Champasak, 1 đại đội địa phương tỉnh Luang Prabang và 4 trung đội địa phương huyện.

 

Nhận nhiệm vụ, các đơn vị bộ đội chủ lực Việt Nam nhanh chóng hành quân đến mặt trận Thượng Lào bí mật, an toàn, sẵn sàng phối hợp với bạn đánh địch. Phát hiện chủ lực ta rời Điện Biên Phủ sang Lào, ngày 29-1, địch quyết định rút quân khỏi Mường Khoa và các đồn lân cận về Nậm Bạc hòng tránh bị tiêu diệt khi ta tiến công. Trước tình huống chiến dịch thay đổi, từ dự định phối hợp đánh các cứ điểm địch trên phòng tuyến sông Nậm U, Bộ chỉ huy chiến dịch chuyển sang tổ chức lực lượng truy kích địch theo hai hướng. Trong đó, hướng Mường Khoa-Mường Sài do Trung đoàn Bộ binh 102 (cánh thứ nhất) thực hiện và hướng Nậm Bạc-Luang Prabang do hai Trung đoàn Bộ binh 88 và 36 (cánh thứ hai) đảm nhiệm.

 

Trên hướng Mường Khoa-Mường Sài, khi quân địch đang trên đường rút chạy về Mường Sài (đêm 30-1), Trung đoàn Bộ binh 102 lập tức cùng một bộ phận lực lượng của Đoàn 82 phối hợp với một đơn vị địa phương Lào chốt chặn phía trước. Cùng lúc, một đại đội Pathet Lào đang trên đường đi Mường Sài chủ động đến phối hợp chiến đấu, buộc địch chia làm hai cụm quân chiếm giữ các điểm cao, vừa chống cự vừa tìm cách rút chạy về hướng Mường Sài. Bộ đội ta và bạn vừa đuổi đánh địch vừa tổ chức truy quét, loại khỏi vòng chiến đấu gần hai tiểu đoàn địch.

 

Ở hướng Nậm Bạc-Luang Prabang, ngày 1-2, khi quân Pháp và ngụy quân Lào rút chạy khỏi Mường Ngòi, Tiểu đoàn 89 (Trung đoàn Bộ binh 36) được nhân dân địa phương bạn hỗ trợ, nhanh chóng vượt sông Nậm Hu, đánh thẳng vào tiểu đoàn địch đang tạm dừng trên các quả đồi, gây cho địch thiệt hại nặng, thu nhiều vũ khí, quân trang, quân dụng. Ngày 5-2, Trung đoàn tiến đến sát Nậm Ngà, phát hiện 1 tiểu đoàn địch từ Mường Sài tới tăng viện cho Nậm Ngà, liền tổ chức 2 đại đội hình thành thế bao vây tiến công địch ở khu vực ngã ba, loại khỏi vòng chiến đấu 2 đại đội địch; đồng thời tổ chức 1 đại đội bao vây, tiến công đồn Nậm Ngà, diệt 1 đại đội địch. Phát huy thắng lợi, Trung đoàn Bộ binh 36 phối hợp với Tiểu đoàn bộ đội địa phương 970 Pathet Lào truy kích 5 đại đội địch mới bỏ đồn rút chạy về Luang Prabang. Trong khi đó, trên hướng Mường Khoa-Mường Sài, từ ngày 4-2, Trung đoàn Bộ binh 102 áp sát các vị trí tiền tiêu, dùng cối bắn vào các khu vực của địch. Trước sức ép của ta, Pháp phải lập cầu hàng không tăng cường 8 tiểu đoàn cơ động, xây dựng 2 cụm cứ điểm mới ở Mường Sài và Luang Prabang. Ngày 13-2-1954, các đơn vị ta và bạn nhận được lệnh kết thúc chiến dịch.

 

Chiến dịch hoàn thành các mục tiêu đề ra là tiêu diệt, tiêu hao sinh lực, đánh lạc hướng sự chú ý của địch, tạo điều kiện để quân và dân ta chuẩn bị tốt hơn cho Chiến dịch Điện Biên Phủ. Nét nổi bật trong quá trình truy kích là trên từng hướng, bộ đội chủ lực, Quân tình nguyện Việt Nam và lực lượng Issara phối hợp, hiệp đồng tác chiến theo tiếng súng, tổ chức bộ phận gọn nhẹ vượt lên trước chặn địch, tạo điều kiện cho đơn vị phía sau cơ động lên triển khai tiến công tiêu diệt địch, giành thắng lợi.