Ban Tuyên huấn chiến dịch Trị Thiên ra lời kêu gọi cán bộ, chiến sĩ hãy dũng cảm chiến đấu, giáng những đòn sấm sét trừng trị bọn Mỹ - Nguy hung ác để trả thù cho đồng bào bị bom đạn Mỹ sát hại.
Năm giờ sáng ngày 27 tháng 4 năm 1972, đợt 2 chiến dịch Trị Thiên bắt đầu. Gần ba vạn viên đại bác trút xuống các căn cứ Đông Hà, Ái Tử, thành cổ Quảng Trị và La Vang - Câu trả lời phẫn nộ đáp lại hành động tàn bạo của bọn hiếu chiến ác ôn. Chiến sĩ ta xông lên bằng lòng căm thù dồn vào mũi súng.
Sư đoàn 308 tấn công Đông Hà. Địch cho tăng đấu tăng, pháo đấu pháo với ta khá dữ dội. Ta phái đặc công phát triển tung thâm chiếm sân bay, công binh phá cầu Lai Phước để cô lập Đông Hà.
Hoàng Xuân Lãm thấy tuyến phòng thủ phía tây khó giữ, lại nghe tin đồn bọn bại binh bỏ chạy vào Quảng Trị (do sự kiện Sư đoàn trưởng Vũ Văn Giai dời Bộ tư lệnh vào Thành cổ), Lãm muốn bảo tồn lực lượng nên ra lệnh cho Trung đoàn xe tăng số 20 rút khỏi Đông Hà. Khi đoàn tăng M.48 dời Đông Hà, các đơn vị hai bên sườn cũng bỏ vị trí phòng thủ mà chạy. Địch trong vùng lâm vào thế yếu, cứu viện không có, bỏ cả xe pháo mà chạy tán loạn. Quân ta làm chủ Đông Hà, Lai Phước.
Sư đoàn 304 tấn công Ái Tử. Ta phá cầu Quảng Trị và đập tan các cuộc phản kích của địch; tiếp tục tiến đánh từ hướng Tày và hướng Nam. Căn cứ mất thế, không có cứu viện, địch phải bỏ Ái Tử chạy tháo thân. Quyền làm chủ cả một vùng quanh Ái Tử thuộc về ta.
Sư đoàn 324 tiến xuống quận lỵ Hải Lăng. Địch cho xe tăng, thiết giáp ra ngăn chặn. Ta điều đại đội tên lửa B.72 diệt tăng lên đối phó, không một xe nào của địch chạy thoát. Trung đoàn 1 từ hướng Tây, Trung đoàn 27 từ hướng Đông, cả hai phía tràn vào chiếm Hải Lăng. Trung đoàn 2 chiếm cầu Bến Đá và Cầu Dài. Tiếp đó, Trung đoàn 3 đánh chiếm nốt căn cứ án ngữ Động Tranh. Thành cổ Quảng Trị lọt thỏm giữa đội hình trùng trùng lớp lớp của ta. Địch không còn khả năng cứu viện; chỉ dùng máy bay ném bom yểm hộ nhưng không xoay chuyển được tình thế. Tư lệnh Sư đoàn 3 Vũ Văn Giai nuốt lời thề "tử thủ Quảng Trị", cùng cố vấn Mỹ lên trực thăng bay về Đà Nẵng, mặc cho bọn quân quan dưới trưởng tự xoay xoả. Bọn bại binh Quảng Trị hoảng loạn tháo chạy về hướng Huế theo Đường số 1, đến đoạn đường từ Cầu Dài tới Cầu Bến Đá, chúng bị quân phục kích của ta đánh cho tơi tả, chỉ một đoạn đường này địch đã bỏ lại hàng trăm xe, pháo và ngổn ngang xác chết. Các nhà báo phương Tây và Sài Gòn gọi đoạn đường đẫm máu ấy là "Đại lộ kinh hoàng".
Ngày mùng 2 tháng 5 năm 1972, cả tỉnh Quảng Trị được giải phóng. Lá cờ nửa đỏ nửa xanh bay phất phới trên nóc Toà Hành chính tỉnh Quảng Trị.
Thị xã Đông Hà, Cam Lộ trở thành Thủ phủ của Chính phủ cách mạng lâm thời miền Nam Việt Nam, nơi đón tiếp các phái đoàn quốc tế; đặc biệt là sau ngày giải phóng Quảng Trị chưa lâu, Chủ tịch Hội đồng Nhà nước và Hội đồng Bộ trưởng nước Cộng hoà Cu Ba - Phi-đen Catro đã tới đây thăm và nói chuyện trước cuộc mít tinh của hàng ngàn đồng bào và bộ đội ta chào đón ông.
