Ở làng Phước Lộc, Tiểu đoàn 2 Trung đoàn 51 ngụy vẫn còn đông quân nên dựa vào hầm hào chống trả quyết liệt. Cán bộ, chiến sĩ Tiểu đoàn 40 phải giành giật từng công sự. Cả ta và địch đều bị thương vong nhiều. Bộ đội ta bám chắc trận địa, tổ chức yểm trợ nhau để tiêu diệt địch, buộc số địch còn lại phải tháo chạy khỏi làng Phước Lộc. Ở núi Chóp Nón, Tiểu đoàn 45 Trung đoàn 1 của ta được sự yểm trợ của pháo binh tiến hành đánh chiếm điểm cao. Địch còn đông quân, chiếm ưu thế trên cao nên cuộc chiến đấu diễn ra rất quyết liệt, kéo dài đến 3 giờ 30 ngày 31 mới kết thúc. Tiểu đoàn 31 biệt động quân của ngụy đã bị tiêu diệt.
Ròng rã ba ngày chiến đấu liên tục, vận dụng linh hoạt các hình thức chiến đấu, bộ đội ta đã tiêu diệt và đánh thiệt hại nặng bốn tiểu đoàn địch, trong đó đã diệt một chiến đoàn, bẻ gẫy cuộc hành quân lớn của ngụy hòng giải tỏa Ba Gia. Kết thúc chiến dịch Ba Gia, ta diệt 916 tên, trong đó có 4 cố vấn Mỹ, bắt sống 65 tên, thu 200 súng các loại. Tại hướng phối hợp, Tiểu đoàn 83 cùng lực lượng địa phương đã đánh tiêu hao Tiểu đoàn 37 biệt động quân ngụy, buộc chúng phải rút lên Hành Đức (Nghĩa Hành).
Cùng với hoạt động quân sự, Tỉnh ủy Quảng Ngãi đã phát động phong trào đấu tranh chính trị rộng khắp toàn tỉnh, hỗ trợ cho cuộc tiến công của lực lượng vũ trang. Mũi binh vận đã huy động được 10 vạn nhân dân các vùng quanh thị xã và huyện Bình Sơn, Sơn Tịnh, Nghĩa Hành, Tư Nghĩa kéo đến các trung tâm ngụy quyền đấu tranh đòi tin tức người thân, đòi trợ cấp cho các gia đình binh sĩ thiệt mạng,... làm náo loạn cả thị xã và toàn tỉnh. Chiến thắng trên mặt trận quân sự cổ vũ quần chúng ở các huyện phối hợp với du kích nổi dậy phá ấp chiến lược ở 27 xã. Gần 3.000 dân đã giành quyền làm chủ.
Chiến thắng Ba Gia thể hiện sự lớn mạnh vượt bậc cũng như tài nghệ đánh tiêu diệt thuần thục của quân chủ lực giải phóng. Đây là lần đầu tiên trên chiến trường Khu V, một trung đoàn của ta tiêu diệt gọn một chiến đoàn tinh nhuệ hỗn hợp, đơn vị ứng chiến lớn nhất của quân chủ lực ngụy lúc đó. Đồng thời, chiến thắng Ba Gia càng cho thấy sự cần thiết phải kết hợp giữa tác chiến của lực lượng vũ trang với phong trào đấu tranh chính trị, binh vận luôn tạo thành sức mạnh tổng hợp của chiến tranh nhân dân đánh thắng các thủ đoạn chiến tranh của Mỹ.
Phối hợp với chiến trường Khu V, tại miền Nam, Trung ương Cục chủ trương tiếp tục tạo thế, tạo lực, đẩy mạnh tiến công trên các mặt trận, làm phá sản kế hoạch bình định có trọng điểm, đánh quy quân chủ lực ngụy, góp phần làm thất bại hoàn toàn chiến lược “chiến tranh đặc biệt”, tạo thế chủ động chiến trường, sẵn sàng đánh Mỹ nếu chúng liều lĩnh thực hiện “chiến tranh cục bộ”.
Thực hiện chủ trương đó, Bộ Chỉ huy quân sự Miền quyết định mở tiếp đợt hoạt động Xuân - Hè 1965, trọng điểm là chiến dịch tiến công Đồng Xoài nhằm đánh quỵ quân ngụy trước khi Mỹ đưa quân vào miền Nam. Địa bàn chiến dịch trải rộng gần 1.000km, bao gồm tỉnh Phước Long, Bình Long, Lâm Đồng, Bình Tuy, Long Khánh, Biên Hòa, Bà Rịa. Ta sử dụng lực lượng lớn gồm 4 trung đoàn, 2 tiểu đoàn và một số đơn vị đặc công, hỏa lực phối hợp với lực lượng địa phương để mở chiến dịch.
