Sáng ngày 10/10/1954, Ủy ban Quân chính Thành phố và các đơn vị quân đội 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.
Đúng 8 giờ sáng, cánh quân phía Tây gồm những chiến sỹ bộ binh của Trung đoàn Thủ đô, mang trên ngực huy hiệu “Chiến sỹ Điện Biên Phủ”, xuất phát từ Quần Ngựa (nay là Cung Thể thao Hà Nội, phố Quần Ngựa) đi qua các phố: Kim Mã, Nguyễn Thái Học, Hàng Đẫy, Cửa Nam, Hàng Bông, Hàng Đào, Hàng Ngang... đến 9 giờ 45 phút tiến vào Cửa Đông.
Khoảng 8 giờ 45 phút, cánh quân phía Nam thuộc hai Trung đoàn 88 và 36 xuất phát từ Việt Nam Học xá (nay thuộc Đại học Bách khoa) đi qua Bạch Mai, phố Huế, vòng quanh Hồ Gươm, đóng ở khu vực Đồn Thủy (nay là Bệnh viện Quân y 108) và khu Đấu Xảo (nay là Cung Văn hóa Hữu nghị).
Riêng Đoàn Chỉ huy tiếp quản, gồm cơ giới, pháo binh, do Chủ tịch Ủy ban Quân chính Vương Thừa Vũ và Phó Chủ tịch Trần Duy Hưng dẫn đầu, lúc 9 giờ 30 phút từ sân bay Bạch Mai đến Ngã Tư Vọng sang Ngã tư Trung Hiền rồi theo đường Bạch Mai lên phố Huế, Hàng Bài, Đồng Xuân, vào Cửa Bắc.
Vào lúc 15 giờ, sau một hồi còi dài tại Nhà Hát Lớn, hàng trăm nghìn người dân Hà Nội và các lực lượng vũ trang đã chỉnh tề tham dự lễ chào cờ do Ủy ban Quân chính tổ chức tại Sân vận động Cột Cờ.
Sau lễ chào cờ, Chủ tịch Ủy ban Quân chính Vương Thừa Vũ trân trọng đọc Lời kêu gọi của Chủ tịch Hồ Chí Minh gửi đồng bào Thủ đô nhân Ngày Giải phóng.
Trong Lời kêu gọi, Bác viết: “Tám năm qua, Chính phủ phải xa rời Thủ đô để kháng chiến cứu nước. Tuy xa nhau, nhưng lòng Chính phủ luôn 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 lại trở về Thủ đô với đồng bào. Muôn dặm một nhà, lòng vui mừng khôn xiết kể!” và căn dặn: “Chính phủ có quyết tâm, toàn thể đồng bao Hà Nội đồng tâm nhất trí góp sức với Chính phủ, thì chúng ta nhất định vượt được mọi khó khăn và đạt được mục đích chung: Làm cho Hà Nội thành một Thủ đô yên ổn, tươi vui và phồn thịnh”.
Công cuộc tiếp quản Thủ đô thành công tốt đẹp. Ta đã tiếp thu an toàn và nhanh gọn 129 công sở, công trình công cộng, xí nghiệp, bệnh viện, trường học, trong đó có các vị trí quân sự và các cơ quan đầu não quan trọng như Thành Hà Nội, Đồn Thủy, sân bay Bạch Mai, sân bay Gia Lâm, Phủ Toàn quyền, Phủ Thủ hiến Bắc Việt, sở Mật thám liên bang.
Sinh hoạt của Nhân dân vẫn giữ được bình thường, ổn định. Các ngành điện, nước, giao thông liên lạc hoạt động đều, thông suốt, an ninh chính trị, trật tự xã hội được bảo đảm tốt; trường học, bệnh viện, các cơ quan văn hóa, báo chí... tiếp tục hoạt động bình thường dưới sự quản lý của chính quyền.
Ngày giải phóng Thủ đô là sự kiện đánh dấu bước ngoặt quan trọng, khẳng định thắng lợi hoàn toàn của quân và dân ta trong cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp xâm lược, đồng thời mở ra một thời kỳ mới trong lịch sử ngàn năm văn hiến của Thăng Long - Đông Đô - Hà Nội.