Thực hiện kết luận của Bộ Chính trị, Tổng Quân ủy và căn cứ vào tình hình thực tiễn của chiến trường Liên khu 5, tháng 12-1953, Bộ tư lệnh Liên khu 5 quyết định mở Chiến dịch tiến công Bắc Tây Nguyên, nhằm mở rộng vùng giải phóng, phân tán lực lượng địch (tập trung cho cuộc hành quân Át-lăng), phá vỡ thế trận của chúng, buộc địch phải đánh theo cách đánh của ta. Đồng chí Nguyễn Chánh, Bí thư Liên khu ủy, Tư lệnh kiêm Chính ủy Liên khu 5, trực tiếp giữ chức Tư lệnh kiêm Chính ủy chiến dịch. Lực lượng tham gia chiến dịch gồm các đơn vị: Trung đoàn 108, Trung đoàn 803, Trung đoàn 120, cùng một số tiểu đoàn, đại đội độc lập của liên khu và các lực lượng địa phương. Các đơn vị tiến công địch trên hai hướng, hướng chính là bắc Kon Tum, hướng phụ là Đường 19-An Khê.
Ngoài vũ khí hiện có trong biên chế, bộ đội còn được trang bị thêm súng ĐKZ 57mm để chiến đấu. Nhằm nghi binh lừa địch, Bộ tư lệnh Liên khu 5 đã chỉ đạo các tỉnh Khánh Hòa, Đắc Lắc, Ninh Thuận, Bình Thuận tổ chức lực lượng vũ trang và nhân dân hoạt động rầm rộ, đánh các cứ điểm địch trên địa bàn, diệt tề trừ gian, làm cho địch không phán đoán được Chiến dịch tiến công Bắc Tây Nguyên của ta. Ngày 20-1-1954, quân Pháp càn vào tỉnh Phú Yên, chính thức bắt đầu cuộc hành quân Át-lăng. Quân dân Phú Yên kiên quyết chặn đánh địch.
Đêm 26-1-1954, các đơn vị trên hướng Đường 19-An Khê nổ súng tiêu diệt địch, chiến dịch Bắc Tây Nguyên bắt đầu. Đêm 27-1-1954, quân ta đồng loạt tiến công 3 cứ điểm Măng Đen, Măng Bút và Kon Rẫy. Trận đánh ở Măng Đen diễn ra hết sức ác liệt. Đến sáng 28-1, ta làm chủ toàn bộ 3 cứ điểm. Như vậy, cụm phòng ngự then chốt của quân Pháp ở Bắc Tây Nguyên đã bị đập tan chỉ trong vòng một đêm.
Phát huy chiến thắng, Trung đoàn 108 tiến công giải phóng bắc Kon Tum; Trung đoàn 803 áp sát, uy hiếp địch ở thị xã Kon Tum, cắt Đường 14 đoạn Pleiku-Kon Tum; Trung đoàn 120 phát triển lên phía tây đèo Mang Giang. Để tránh bị tiêu diệt, bộ chỉ huy quân viễn chinh Pháp lệnh cho Đờ-Bô-Pho rút lực lượng khỏi thị xã Kon Tum, co cụm về Pleiku, tạm dừng cuộc hành quân Át-lăng ở Phú Yên để đưa phần lớn lực lượng lên phòng ngự Tây Nguyên. Trước tình hình đó, đầu tháng 2-1954, Bộ Chỉ huy chiến dịch quyết định sử dụng Trung đoàn 108 và 803 phát triển tiến công về hướng Pleiku; đồng thời, tranh thủ lúc địch đang co cụm, nhanh chóng ổn định vùng mới giải phóng, củng cố phát triển lực lượng ta.
Ngày 17-2-1954, chiến dịch tiến công Bắc Tây Nguyên kết thúc. Qua 20 ngày đêm chiến đấu liên tục (từ 26-1 đến 17-2-1954), ta tiêu diệt hơn 2.000 quân địch, bắt sống 310 tên, giải phóng tỉnh Kon Tum, buộc quân Pháp phải tạm dừng cuộc hành quân Át-lăng, góp phần phân tán lực lượng cơ động chiến lược của địch. Đây là chiến thắng lớn của quân dân Liên khu 5 trong Chiến cục Đông Xuân 1953-1954. Với thắng lợi này, vùng giải phóng đã mở rộng liên hoàn từ Quảng Nam-Quảng Ngãi lên Kon Tum sang Hạ Lào. Chiến trường Đông Dương đối với địch đã bị cắt đôi, thế trận phòng ngự của địch bị phá vỡ. Ta dồn địch từ thế tranh thủ tiến công để giành quyền chủ động sang thế quay về phòng ngự bị động chống đỡ. Tuy bị quân dân Liên khu 5 đánh cho thiệt hại nặng, buộc phải bị động chống đỡ, nhưng quân Pháp vẫn gắng gượng để thực hiện bước 2 của cuộc hành quân Át-lăng. Địch chủ quan cho rằng lực lượng vũ trang Liên khu 5 đã đuối sức, hết khả năng đánh lớn sau khi tiến công cứ điểm Đắc Đoa và thọc sâu vào Pleiku. Từ nhận định đó, ngày 10-3-1954, quân Pháp ở bắc Phú Yên theo đường bộ tiến ra Bình Định. Quân dân Phú Yên kiên quyết chặn đánh quân địch.
Ngày 12-3-1954, quân Pháp đổ bộ đường biển vào Quy Nhơn. Ngay hôm sau, trên chiến trường Bắc Bộ, quân ta tiến công tập đoàn cứ điểm Điện Biên Phủ (13-3-1954). Trên chiến trường Tây Nguyên, sau chiến thắng Đắc Đoa (17-2-1954), Trung đoàn 803 tiến xuống nam Đường 19 tập kích địch ở Plei Ring. Trận này ta loại khỏi vòng chiến đấu hơn 600 tên địch, phá hủy hàng chục xe cơ giới. Thắng lợi của trận đánh góp phần làm đảo lộn bước 2 cuộc hành quân Át-lăng, buộc Binh đoàn số 100 của địch phải rút về Pleiku để củng cố và tăng cường bảo vệ khu vực ngã ba Đường 7-Đường 14. Sau khi Binh đoàn số 100 bị Trung đoàn 803 đánh thiệt nặng ở Plei Ring, cánh quân Pháp trên Đường 19 tiến xuống Bình Định (thực hiện bước 2 cuộc hành quân Át-lăng) phải dừng lại ở Thượng An-Đầu Đèo.
Trong tháng 4-1954, Trung đoàn 803 cùng các lực lượng địa phương tiến công phá vỡ từng mảng phòng ngự của địch ở Nam Tây Nguyên. Pháp buộc phải rút Binh đoàn số 42 đang ở Bình Định quay về phòng ngự Đường 7; Binh đoàn số 41 ở Bình Định cũng phải rút về phòng ngự thị xã Tuy Hòa. Đến cuối tháng 4-1954, Na-va rút Binh đoàn số 11 và 21 cùng một số tiểu đoàn ngụy đi ứng cứu các chiến trường khác. Quân Pháp ở địa bàn Liên khu 5 co cụm vào các thị xã, thị trấn để phòng ngự. Tình hình địch ngày càng rệu rã. Quyền chủ động tiến công trên toàn chiến trường thuộc về lực lượng vũ trang Liên khu 5. Cuộc hành quân Át-lăng của thực dân Pháp bị thất bại hoàn toàn.
Cùng với cả nước, quân và dân Liên khu 5 không những đã giành và giữ được thế chủ động tiến công mà còn giáng cho địch những đòn đánh táo bạo, quyết liệt, kiến chúng bị tổn thất nặng nề, thế trận của quân địch bị phá vỡ. Quân Pháp từ thế chủ động mở cuộc hành quân Át-lăng vào Phú Yên, Bình Định, sau đó buộc phải rút lực lượng về co cụm phòng ngự, bị động chống đỡ những đòn tiến công của ta ở Tây Nguyên, buộc phải đánh theo cách đánh của ta.
Có thể nói, đánh bại cuộc hành quân Át-lăng, quân và dân Liên khu 5 đã đánh bại hoàn toàn âm mưu bình định vùng tự do Nam-Ngãi-Bình-Phú, xây dựng lực lượng cơ động mạnh của Na-va. Và như vậy, không thực hiện được âm mưu này, kế hoạch Na-va đã bị phá sản. Đánh bại cuộc hành quân Át-lăng không chỉ đơn thuần là đánh bại một cuộc hành quân càn quét mà quân và dân Liên khu 5 đã góp phần "chia lửa" cùng chiến trường Điện Biên Phủ, cùng cả nước kết thúc thắng lợi 9 năm trường kỳ kháng chiến chống thực dân Pháp xâm lược.
