Ngày 2/4/1975, chính quyền Sài Gòn sáp nhập các phần đất còn lại của Quân khu 2 vào Quân khu 3, đồng thời, lập Bộ Tư lệnh tiền phương Quân khu 3 do Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi chỉ huy, đóng tại sân bay Thành Sơn, tổ chức lực lượng phòng thủ.
Về phía ta, theo đề nghị của Quân khu 5 và Quân đoàn 2, Quân ủy Trung ương và Bộ Tổng Tư lệnh quyết định hình thành cánh quân Duyên hải gồm các lực lượng vừa giải phóng Đà Nẵng. Để nhanh chóng đưa bộ đội vào tham gia giải phóng Sài Gòn, Tư lệnh cánh quân Duyên hải tổ chức lực lượng tiến công phá vỡ tuyến phòng thủ Phan Rang của địch.

Quân Giải phóng đánh chiếm dinh Tỉnh trưởng Phan Rang.
Sáng 16/4, Trung đoàn Bộ binh 101, Sư đoàn 325, Quân đoàn 2 tổ chức mũi thọc sâu binh chủng hợp thành, xuất phát từ vị trí bàn đạp của Sư đoàn 3, phối hợp Tiểu đoàn 4 (Lữ đoàn Xe tăng 203) tiến công trong hành tiến theo đường số 1, đột phá thẳng vào tuyến phòng ngự của địch ở Phan Rang. Một số khẩu pháo nòng dài 85mm và cao xạ 37mm cơ động trong đội hình sẵn sàng ngắm bắn trực tiếp vào các mục tiêu trên mặt đất và bắn máy bay địch. Lữ đoàn 164 Pháo binh đi phía sau làm nhiệm vụ chi viện hỏa lực cho đội hình thọc sâu.
Phối hợp với mũi chính diện, Sư đoàn 3 và Trung đoàn 25 tiến công một số mục tiêu trong thị xã và sân bay Thành Sơn. Bằng sức mạnh hiệp đồng binh chủng, đặc biệt là sức đột phá mạnh của xe tăng, thiết giáp, sau hai giờ chiến đấu, ta đã đánh tan các cụm quân địch phòng thủ, tiến thẳng vào trung tâm thị xã. Đến 7 giờ ngày 16/4, Tiểu đoàn 1 Trung đoàn 101, Sư đoàn 325 và Tiểu đoàn 4 xe tăng, thiết giáp đã làm chủ thị xã, nhanh chóng chia thành nhiều mũi phát triển tiến công, đánh chiếm các cảng Ninh Chữ, Tân Thành, quận lỵ Bửu Sơn và sân bay Thành Sơn, bịt kín các đường rút quân của địch. Địch đã huy động hàng chục lượt máy bay ném bom vào phía sau đội hình hành quân của ta trên đường số 1; đồng thời, đưa quân dù từ sân bay Thành Sơn ra phản kích. Trung đoàn 101, Sư đoàn 325 và Sư đoàn 3 đã đánh lui các đợt phản kích của địch. 9 giờ 30 phút ngày 16/4, ta làm chủ sân bay Thành Sơn, tiếp tục truy kích tàn quân địch ở Cà Ná. Tối 16/4, ta đánh tan tuyến phòng thủ Phan Rang, giải phóng tỉnh Ninh Thuận và một phần phía Bắc tỉnh Bình Thuận.
Kết quả, ta đã đập tan tuyến phòng ngự từ xa của địch ở Phan Rang, tiêu diệt các Bộ Tư lệnh tiền phương Quân đoàn 3, Sư đoàn 6 không quân, Sư đoàn 2 bộ binh, Lữ đoàn 2 dù, Liên đoàn 31 biệt động, một trung đoàn của sư đoàn mới khôi phục, toàn bộ lực lượng của tiểu khu Ninh Thuận, thu 40 máy bay, 60 khẩu pháo cùng nhiều phương tiện và đồ dùng quân sự, loại khỏi vòng chiến đấu và làm tan rã toàn bộ quân địch trên tuyến phòng thủ Phan Rang gồm hơn một vạn tên; bắt sống Trung tướng Nguyễn Vĩnh Nghi, Tư lệnh chỉ huy tiền phương Quân đoàn 3, Chuẩn tướng Phạm Ngọc Sang, Tư lệnh Sư đoàn 6 không quân ngụy.
Chiến thắng Phan Rang đã đập tan kế hoạch phòng thủ từ xa của địch, tạo thế thuận lợi giải phóng Bình Tuy, Bình Thuận, kịp thời đưa toàn bộ cánh quân Duyên hải vào giải phóng Sài Gòn-Gia Định.