Đúng như dự đoán của ta, địch đã sử dụng lực lượng của Sư đoàn 3 tiến công hòng chiếm lại khu vực Nông Sơn-Trung Phước. Trước tình hình đó, Bộ chỉ huy chiến dịch nhận thấy quân ứng cứu giải tỏa của địch đang đứng chân ở Thạch Bàn muốn vào giải tỏa Nông Sơn, nhất định chúng phải chiếm được khu vực Dương Côi-Song Sử để làm bàn đạp. Do đó, ngay chiều tối 18-7, Bộ chỉ huy chiến dịch giao nhiệm vụ cho Sư đoàn 2 nhanh chóng điều chỉnh lực lượng, bố trí đội hình sẵn sàng tiêu diệt địch ở khu vực Dương Côi-Song Sử.

Thực hiện nhiệm vụ được giao, nhằm dụ quân địch vào đúng khu vực ta đã chuẩn bị sẵn, Sư đoàn 2 dùng một bộ phận nhỏ chốt giữ khu vực Khương Quế, lực lượng tại các điểm cao 238, 284, 77 vừa đánh vừa lùi dần, nhử địch vào khu chiến để ta tiêu diệt lớn quân địch ngoài công sự. Chuẩn bị cho trận đánh, Sư đoàn 2 lệnh cho các đơn vị nhanh chóng làm công tác chuẩn bị, tập trung lực lượng vận dụng chiến thuật vận động bao vây tiến công liên tục, tiêu diệt lớn quân giải tỏa của địch ở khu vực Dương Côi-Song Sử.

Tại khu vực Dương Côi, Văn Chỉ, Kỳ Vĩ và điểm cao 238, Tiểu đoàn 1, Trung đoàn 1 sử dụng hai đại đội từ phía Bắc và phía Đông Bắc tiến công vào sở chỉ huy Tiểu đoàn 3 địch ở Dương Côi. Đại đội Công binh 15 và Đại đội 10 (Tiểu đoàn 3) tiến công quân địch ở Văn Chỉ. Bị ta đánh bất ngờ, phần lớn quân địch ở các vị trí này bị tiêu diệt, một bộ phận từ Dương Côi tháo chạy về phía Đông thì bị Đại đội 3 (Tiểu đoàn 1) và Đại đội 9 (Tiểu đoàn 3) đón lõng, phối hợp với Đại đội Công binh 15 (sau khi đã tiêu diệt xong địch ở Văn Chỉ) tiêu diệt gọn. Tiểu đoàn 3 tổ chức tiến công quân địch ở Kỳ Vĩ, do hiệp đồng thiếu chặt chẽ, các mũi tiến công của Tiểu đoàn bị địch dùng hỏa lực ngăn chặn quyết liệt nên phát triển chậm.

Chiều 25-7-1974, trận then chốt của chiến dịch kết thúc. Kết quả, ta diệt gọn 1 tiểu đoàn, đánh thiệt hại nặng 2 tiểu đoàn khác của địch, loại khỏi vòng chiến đấu 647 tên địch, bắt sống 73 tên, thu nhiều vũ khí và đồ dùng quân sự. Thắng lợi của trận đánh Dương Côi-Song Sử góp phần củng cố và giữ vững vùng giải phóng, thu hút và phân tán bộ phận quan trọng quân chủ lực địch, tạo điều kiện thuận lợi cho quân ta trong tiến công giải phóng Thượng Đức, mở rộng vùng giải phóng nông thôn rộng lớn.