Theo Hiệp định Gieneve, Hà Nội nằm trong khu vực tập kết 80 ngày của quân đội Pháp. Người Pháp đã lợi dụng thời gian này để mang đi các máy móc, kho tàng, cắt điện nước, in truyền đơn, công phiếu giả và cuối cùng là tham gia chiến tranh tâm lý để lôi kéo dân di cư vào Nam. Sau quá trình đấu tranh trên mặt trận ngoại giao ở Hội nghị Phù Lỗ đòi Pháp rút khỏi Hà Nội đúng thời hạn, đảm bảo an toàn về tài sản, tiếp quản trong trật tự, ngày 30-9-1954, hai bên đã ký Hiệp định chuyển giao Hà Nội về quân sự; ngày 2-10, ký tiếp Hiệp định chuyển giao Hà Nội về hành chính. Xác định nguyên tắc chuyển giao phải đảm bảo trật tự, an toàn, không được phá hoại và không làm gián đoạn các hoạt động của đời sống thành phố.
Theo các văn bản đã được ký kết, từ ngày 2 đến 5-10-1954, các đội hành chính, trật tự của Việt Minh vào thành phố trước, chuẩn bị cho việc tiếp quản các cơ quan, công sở, các công trình công cộng. 422 cán bộ, nhân viên đội hành chính và 158 công an có vũ trang của đội trật tự đã tiến hành kiểm kê và giải quyết các công việc chuẩn bị, lập xong các biên bản để bàn giao ngày 7-10-1954.
Ngày 6-10-1954, quân Pháp rút khỏi quận lỵ Văn Điển. Đây là quận lỵ đầu tiên ở ngoại thành được giải phóng. Ngày hôm sau, nhiều đơn vị quân đội nhân dân Việt Nam theo nhiều đường tiến về Hà Nội. Chiều ngày 8 tháng 10, một số đơn vị tiến sát vành đai Đê La Thành, Nhật Tân, Cầu Giấy, Ngã Tư Sở, Bạch Mai và Vĩnh Tuy. Trong khi đó, địch rút khỏi Yên Viên. Sáng 9-10-1954, bộ đội đã tiếp quản 4 quận Quảng Bá, Cầu Giấy, Ngã Tư Sở và Quỳnh Lôi, tiếp theo là Đại lý Hoàn Long. Quân đội nhân dân Việt Nam theo nhiều đường, từ ngoại thành tiến vào tiếp thu Hà Nội, chia làm nhiều cánh quân tiến vào năm cửa ô chính rồi tỏa ra các khu. Lần lượt, bộ đội ta tiếp thu nhà ga Hà Nội, phủ Toàn quyền cũ, khu Đồn Thủy, khu Bờ Hồ, Bắc Bộ phủ.
Đến 16 giờ ngày 9-10-1954, những lính Pháp cuối cùng đã rút qua cầu Long Biên; quân dân ta hoàn toàn kiểm soát thành phố. Sáng ngày 10-10-1954, Ủy ban Quân chính thành phố và các đơn vị quân đội nhân dân gồm có bộ binh, pháo binh, cao xạ, cơ giới… chia làm nhiều cánh lớn đã mở cuộc hành quân lịch sử tiến vào Hà Nội. 20 vạn dân Thủ đô với cờ, hoa trong tay hân hoan xuống đường chào đón đoàn quân chiến thắng.
Trong thư gửi đồng bào Hà Nội sau ngày giải phóng Thủ đô, chủ tịch Hồ Chí Minh viết: “Tám năm qua, Chính phủ đã phải xa rời Thủ đô để kháng chiến cứu nước. Tuy xa nhưng lòng Chính phủ luôn gần cạnh đồng bào. Ngày nay do nhân dân ta đoàn kết nhất trí, quân đội ta chiến đấu anh dũng, hòa bình đã thắng lợi, Chính phủ ta lại trở về Thủ đô với đồng bào. Muôn dặm một nhà, lòng vui mừng khôn xiết”.
