在攻克高平的同时，从东路进入越南的我军开始进攻扼守中越交通要道的同登。驻守同登的则是越军第3师，依仗着层层修筑的工事阻击着解放军的进攻。解放军依然采用坦克冲击的战术，在正面进攻的同时派出左右两支穿插队伍，直插敌军后方，切断了同登到谅山的道路。在军情紧急的情况下，战士们甚至用身体踏响地雷为部队开辟通道。解放军利用坦克部队的冲击，将越军的防线切成几段，分割歼灭。越军依托残存防御和武器优势，将部队分批投入战斗，结果被我军打退，突围无望。19日开始，解放军对同登越军开始全面进攻。先后攻克同登火车站，炸毁固守的“法国炮台”，突入同登市区，歼灭了越军第3师。
高平、同登先后被攻克，让越南共产党总书记黎笋大惊失色，北部重镇接连失守，谅山孤立无援，一旦谅山被攻克，河内危险。越军连忙调兵遣将，准备死守谅山。然而，解放军东线集团的目标就是拿下谅山。在历史上，越南在边境作乱，中央王朝的军队只要打下谅山，越南国王就会自动投降，可见谅山的重要性。2月27日，攻打谅山的战斗正式打响。
解放军进攻部队率先清理掉谅山周边的越军据点，到28日，谅山周边越军被消灭殆尽，谅山陷入我军重围。3月1日，54军集中300余门大口径火炮对谅山市和周边附近越军驻地进行了30分钟的火力突袭，谅山一片硝烟滚滚，主要建筑变成废墟，而越军也使用化学武器进行还击。解放军步兵在坦克部队提供的直瞄火力的配合下，对谅山奇穷河以北市区进行全面攻击，到2日，北市区被攻陷，随后部队打过奇穷河，彻底占领南市区。整个谅山战役共歼敌万余人，越军308师大部被歼，整个谅山基本变成一片废墟。
随着谅山被解放军攻陷，整个谅山以南的一马平川呈现在解放军面前，河内无险可守。越南发布全国总动员令，撤离河内的人挤满了火车站，河内一片混乱。至此，东线我军作战全面结束，虽然我军付出了较大的代价，但是对于越军边境一线部队给予了彻底的歼灭，占领了越南北部重镇，威逼河内。
在东线战役打响的同时，西线部队13军率先强渡红河。2月16日晚13军渡河部队就进入红河北岸准备偷渡，在17日凌晨7点前偷渡过4个团后被越军发现，随后偷渡变成强渡。到中午，在13军主力全部渡过红河后，杨得志命令13军向谷珊、谷柳、保胜纵深一带发展。到21日，完全摧毁越军纵深防御，为后续大部队继续进攻打开了道路。这时，越军316A师准备东进驰援老街，越军345师则准备阻击我军南下。21日，13军39师开始阻击东去的越军316A师，13军主力则开始围歼柑塘的越军。解放军分兵抢占柑塘周边据点对反扑之敌进行阻击，到25日，全歼柑塘的越军，歼灭越军345师，重创316A师。
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