Sau khi đánh bật các sư đoàn Khmer Đỏ khỏi Tây Ninh, quân đội Việt Nam vượt biên giới Campuchia tiến về Phnom Penh.
18 vạn quân (3 quân đoàn và 7 sư đoàn, cùng nhiều đơn vị hỗ trợ khác) chia thành các mũi vượt sông Mekong bao vây Phnom Penh. Cùng các cố vấn Trung Quốc, quân Khmer Đỏ tổ chức kháng cự theo kiểu chiến tranh quy ước, nhưng bị đánh tan tác do phía Việt Nam vượt trội về quân số, vũ khí và kinh nghiệm chiến trường ở mọi khía cạnh.
Chỉ trong 1 tuần kể từ khi chiến dịch phản công của Việt Nam bắt đầu, Campuchia Dân chủ mất ít nhất 50% lực lượng.
Dọc sông Mekong, lính Polpot tổ chức các ổ đề kháng mạnh nhằm ngăn bộ đội Việt Nam vượt sông. Tại Kompong Cham, quân đoàn 3 của tướng Kim Tuấn bị chặn lại. Tướng Kim Tuấn quyết định dùng hỏa lực áp đảo bắn vào trận địa phòng thủ của quân Khmer Đỏ, rồi cho thả khói mù, dùng thuyền chuyển quân sang bờ Tây.
Mặc dù rất nhiều thuyền bị trúng đạn của quân Khmer Đỏ, nhưng quân đoàn 3 cuối cùng cũng đã thiết lập được một đầu cầu để rồi từ đó đánh tỏa ra. Chính vì lý do này mà quân đoàn 3 đã đến Phnom Penh chậm một chút, chính phủ Polpot kịp lách qua vòng vây siết chặt mà bỏ chạy về biên giới Thái Lan.
Ngày 7 tháng 1, quân Việt Nam chiếm được mục tiêu chiến lược cuối cùng là sân bay Kampong Chonang. Quân Polpot rút chạy hỗn loạn, bỏ lại nhiều máy bay, hàng trăm xe tăng và xe bọc thép, cùng các kho tàng đầy ắp mà Trung Quốc viện trợ. Phnom Penh gần như bị bỏ không khi bộ đội Việt Nam tiến vào. Đại sứ quán Trung Quốc ở đây được bố trí như một trung tâm chỉ huy tác chiến, bày la liệt các bản đồ quân sự vẽ chi chít những mũi tên chỉ hướng tấn công của Việt Nam.
Ngày 8 tháng 1, Hội đồng Nhân dân Cách mạng Campuchia do Heng Samrin làm Chủ tịch được thành lập.
Mặc dù các lãnh đạo Khmer Đỏ từng tuyên bố “sẵn sàng chiến đấu với Việt Nam trong 700 năm” (tổng tư lệnh Ta Mok còn vạch ra kế hoạch tấn công thành phố Hồ Chí Minh), nhưng thực tế phần lớn quân đội của Polpot đã bốc hơi sau 7 ngày giao tranh. Khmer Đỏ gượng dậy được sau này chỉ nhờ viện trợ ồ ạt của Trung Quốc và Thái Lan mà thôi.
