Đến tháng 8-1953, sau thất bại tại Thượng Lào, quân Pháp bị bao vây buộc phải rút khỏi tập đoàn cứ điểm Nà Sản, huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La được hoàn toàn giải phóng. Bắt đầu từ đây, Sơn La trở thành hậu phương trực tiếp của mặt trận Tây Bắc và chiến dịch Điện Biên Phủ. Đại tá Quàng Huyên, 93 tuổi, đang sinh sống tại bản Cọ (TP Sơn La) - người trực tiếp tham gia chiến dịch Điện Biên Phủ, nhân chứng cuối cùng tham gia khởi nghĩa Cách mạng Tháng Tám tại tỉnh Sơn La, nhớ lại: Sau chiến thắng chiến dịch Tây Bắc, Tỉnh ủy Sơn La đã ra chỉ thị triển khai những nhiệm vụ cần kíp nhằm củng cố vùng giải phóng, tập trung củng cố chính quyền các cấp, thực hiện các chính sách của Chính phủ, giữ gìn trật tự an toàn xã hội; tổ chức bao vây đánh chặn địch ở cứ điểm Nà Sản hành quân lấn chiếm vùng giải phóng; tiến hành chiến dịch diệt phỉ, ổn định đời sống nhân dân các dân tộc.

Tháng 12-1953, Bộ Chính trị quyết định mở chiến dịch Điện Biên Phủ. Toàn Đảng, toàn quân và nhân dân cả nước quyết toàn thắng trong chiến dịch lịch sử này. Công cuộc chuẩn bị được Trung ương Đảng, Chủ tịch Hồ Chí Minh và Chính phủ chỉ đạo ráo riết, khẩn trương. Một khí thế thi đua, yêu nước hào hùng được phát động khắp các địa phương trên địa bàn tỉnh Sơn La, với tinh thần tất cả cho tiền tuyến, tất cả để chiến thắng.

Căn cứ yêu cầu của Trung ương và khả năng của địa phương, tỉnh Sơn La được Khu ủy Tây Bắc giao mức huy động 2.545 tấn gạo, 60 tấn thịt, 5 tạ mỡ; 12.000 dân công; phối hợp các lực lượng chống địch phá hoại, bảo đảm giao thông - đường 13 từ chân đèo Lũng Lô (Yên Bái) đến Mai Sơn (trong đó có trọng điểm ngã ba Cò Nòi thuộc huyện Mai Sơn) với chiều dài 179 km và đường 41 từ giáp Hòa Bình đến Tuần Giáo, dài 271 km.

Mặc dù mới được giải phóng, khó khăn chồng chất, nhưng Đảng bộ tỉnh Sơn La đã tập trung lãnh đạo, vận động nhân dân các dân tộc đẩy mạnh khôi phục kinh tế, văn hóa, xã hội, trọng tâm là tăng gia sản xuất, cứu đói. Sơn La đã chủ trương giải phóng đến đâu thì tạm chia ruộng công, ruộng của Việt gian giao cho nhân dân đến đấy. Biện pháp đó đã động viên, khích lệ phong trào cách mạng, làm biến đổi sâu sắc chế độ xã hội và con người Sơn La, động viên được toàn thể nhân dân tích cực tham gia phục vụ cho trận quyết chiến chiến lược với kẻ thù ở Điện Biên Phủ.

Đến tháng 11-1953, hầu hết các cụm phỉ, ổ phỉ từ Mường Lầm (Sông Mã) đến Thuận Châu (vùng tả ngạn sông Đà) đã bị tiêu diệt. Đường 41 qua Sơn La lên Lai Châu an ninh trật tự xã hội được bảo đảm. Ta bắt, diệt và gọi hàng hơn 2.400 tên phỉ, thu hơn 1.000 khẩu súng các loại, bắt sống nhiều tên trùm phỉ gian ác, trong đó có cả chỉ huy phỉ là quan hai Pháp.

Nhiệm vụ quan trọng của Sơn La là bảo đảm tuyến đường 13 phía nối từ Yên Bái đến Cò Nòi (Mai Sơn) và đường 41 từ địa bàn Mộc Châu lên Tuần Giáo, tỉnh Lai Châu (cũ). Đây là đoạn đường nhiều đèo dốc, núi đá, cầu ngầm qua suối, với các trọng điểm, như: Bến phà Tạ Khoa, ngã ba Cò Nòi, cầu Tà Vài, đèo Pha Đin, đèo Chiềng Pấc... Dọc các tuyến đường hàng chục nghìn TNXP, công dân hỏa tuyến, nam, nữ thanh niên các dân tộc tỉnh Sơn La luôn thường trực bám chốt, bám đường phục vụ chiến đấu, bảo đảm giao thông thông suốt. Bộ đội công binh Trung đoàn 151 của Sơn La - lực lượng chủ công làm đường vừa đánh mìn phá đá, phá bom nổ chậm. Trong gian nan thử thách đó, xuất hiện nhiều tấm gương dũng cảm, hy sinh. Trong đó, tại trọng điểm ngã ba Cò Nòi, hàng trăm gương TNXP đã ngã xuống. Tính chất khốc liệt và tinh thần hy sinh dũng cảm đó, sau này trong cuốn hồi ký, Đại tướng Võ Nguyên Giáp, viết: Đường ra mặt trận hết núi lại đèo, suối rồi lại suối. Qua những khu rừng âm u, rậm rạp, những sườn núi chênh vênh, lại đến những đồi tranh trơ trụi. Tới ngã ba Cò Nòi, có cảm giác như đã ở mặt trận...

Vừa bảo đảm giao thông thông suốt, vừa cung cấp hậu cần cho chiến dịch. Hầu hết các tổng kho dự trữ của chiến dịch đều đặt dọc các tuyến đường trên đất Sơn La, rồi từ đây tiếp tục đưa ra mặt trận. Vì vậy, một tạ gạo huy động tại Sơn La chuyển tới mặt trận sẽ có giá trị bằng cả tấn gạo ở nơi khác chuyển đến. Quân và nhân dân các dân tộc tỉnh Sơn La đã dồn mọi khả năng, nhân lực, vật lực ở địa phương để vận động cung cấp lương thực, thực phẩm cho tiền tuyến. Mặc dù đời sống sau giải phóng rất khó khăn, nhưng đồng bào các dân tộc tỉnh Sơn La vẫn hăng hái đóng thuế vụ mùa năm 1953 và vụ chiêm năm 1954 vượt kế hoạch. Nhiều nơi đồng bào tự nguyện đăng ký cho Chính phủ vay thêm để bộ đội ăn no đánh thắng. Tiêu biểu là đồng bào Mông, Khơ Mú ở xã Chiềng Nơi (huyện Mai Sơn) lúc bấy giờ được miễn thuế nông nghiệp nhưng đã hăng hái cho Chính phủ vay vượt mức 400 kg gạo. Nhân dân xã Chiềng Chung mới hồi cư về, không thuộc diện cho vay, khi hoàn thành đóng thuế đã xung phong cho Chính phủ vay hai tấn thóc. Nhiều địa phương đã tổ chức giúp nhau giã gạo đưa ra mặt trận. Dọc các tuyến đường giao thông, đồng bào còn tích cực trồng rau xanh, cung cấp hạt giống, hướng dẫn kỹ thuật, cách làm đậu, giá đỗ phục vụ bộ đội. Tổng cộng cả năm đợt huy động, tỉnh Sơn La đã thực hiện vượt mức nhiệm vụ trên giao, huy động được 2.744 tấn gạo, vượt 199 tấn, 73 tấn thịt, vượt 13 tấn, và gần 140 tấn rau các loại. Ngay trong đợt đầu, huyện Phù Yên đã huy động 640 tấn, vượt kế hoạch 190 tấn, huyện Mường La đạt 630 tấn, vượt kế hoạch 200 tấn. Riêng huyện Thuận Châu là huyện giáp mặt trận Điện Biên Phủ, đồng bào đã đóng góp 532 tấn gạo, vượt kế hoạch 82 tấn.

Trong chiến dịch, tỉnh Sơn La đã huy động gần 22 nghìn người (vượt chỉ tiêu 10 nghìn người) với gần hai triệu ngày công, có đợt anh chị em phục vụ liên tục hơn một tháng ở những trọng điểm ác liệt. Chỉ tính trong sáu tháng đầu năm 1954, toàn tỉnh đã tuyển 1.043 tân binh bổ sung cho bộ đội chủ lực và các đơn vị bộ đội địa phương, đồng thời xây dựng được hai tiểu đoàn bộ đội của tỉnh để làm nhiệm vụ cơ động chiến đấu.

Trong thế trận liên hoàn đó, Đảng bộ, quân và nhân dân các dân tộc tỉnh Sơn La vinh dự là chiếc cầu nối từ chiến dịch Tây Bắc, chiến dịch Thượng Lào đến chiến thắng Điện Biên Phủ. Kết thúc chiến dịch Điện Biên Phủ, Đảng bộ, quân và dân các dân tộc tỉnh Sơn La, cùng các địa phương, như: huyện Thuận Châu, Phù Yên, Mường La và bến phà Tạ Khoa được tặng danh hiệu Đơn vị quyết thắng.