Rạng sáng 16/4/1975, các lực lượng tham gia tiến công phòng tuyến Phan Rang của địch đồng loạt nổ súng. Trung đoàn 101 Sư đoàn 325 có 4 xe thiết giáp PT.85 dẫn đầu tiến công binh lính Tiểu đoàn 3 Liên đoàn biệt động quân 31 phòng thủ ở Hội Diên, An Xuân, sau đó tiến về phía ngã ba Cà Đú, ấp Đái Sơn. Quân địch chống cự yếu ớt.

Trên hướng Đường số 1, địch gọi pháo binh và máy bay chi viện đánh trả các cuộc tiến công của ta. Bộ đội ta vừa vận động đuổi đánh quân địch ở mặt đất, vừa dùng súng máy và súng phòng không đánh trả máy bay.

Sư đoàn 3 Quân khu 5 và Trung đoàn 25 phối hợp với mũi thọc sâu của Sư đoàn 325 tiến công một số mục tiêu trong thị xã Phan Rang và sân bay Thành Sơn.

Sau hai giờ chiến đấu, bộ đội ta hoàn toàn làm chủ thị xã. Một bộ phận ta nhanh chóng ra chiếm cảng Tân Thành, Ninh Chữ. Một bộ phận theo Đường 1 tiến xuống phía nam thị xã chiếm cầu Đạo Long, quận lỵ Phú Quý.

9 giờ 40 phút xe tăng ta tiến vào cửa số 1 sân bay Thành Sơn. 10 giờ, Trung đoàn 101 và Sư đoàn 3 đánh bại các đợt phản kích của địch chiếm sân bay Thành Sơn. Toàn bộ hơn 1 vạn quân địch ở Phan Rang bị tiêu diệt và tan rã.

Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi - Tư lệnh tiền phương Quân đoàn 3 Việt Nam Cộng hòa và Chuẩn tướng Phạm Ngọc Sang - Tư lệnh Sư đoàn 6 không quân cùng nhiều sĩ quan, binh lính địch bị bắt sống. Ta thu nhiều vũ khí và phương tiện chiến tranh trong đó có các máy bay A37 còn nguyên vẹn. Trong ngày tỉnh Ninh Thuận hoàn toàn giải phóng.

Phan Rang thất thủ làm suy yếu và rúng động tuyến phòng ngự chủ yếu của địch trên hướng đông từ Phan Thiết đến Xuân Lộc, tạo thế cho Quân giải phóng tiếp tục theo Đường 1 tiến về giải phóng Sài Gòn.

22 giờ ngày 16/4/1975, Đại tướng Tổng tư lệnh Võ Nguyên Giáp gửi điện khen toàn thể cán bộ, chiến sĩ đã giành chiến thắng tại Phan Rang.

Cùng ngày Quân ủy Trung ương điện cho Quân đoàn 2 lệnh: Phải nhanh chóng truy kích địch, phát triển tiến công thần tốc, táo bạo, bất ngờ quyết giành thắng lợi mới, khẩn trương củng cố lực lượng, tiếp tục hành quân chiến đấu, đảm nhận nhiệm vụ kịp thời gian tham gia chiến dịch giải phóng Sài Gòn.

Ngày 16/4/1975, tại Sở Chỉ huy ở Đồng Xoài, Bộ Tư lệnh Quân đoàn 1 tổ chức giao nhiệm vụ cho các đơn vị trực thuộc. Một số đơn vị thuộc Quân đoàn 3 như: Trung đoàn Pháo binh 675, Trung đoàn Phòng không 593, Trung đoàn Công binh 575 và Tiểu đoàn 1 (Trung đoàn Công binh 7), Trung đoàn Thông tin 29, Trung đoàn Đặc công 198 và lực lượng hậu cần Quân đoàn 3 đã có mặt tại vị trí tập kết và triển khai công tác chuẩn bị cho Chiến dịch Hồ Chí Minh.