Ngày 23 tháng 8 năm 1965, Đại đoàn Đồng Bằng được đổi phiên hiệu thành sư đoàn 320A là đơn vị chiến đấu cơ động và sư đoàn 320B là đơn vị huấn để bổ sung lực lượng cho các chiến trường miền Nam. Sư đoàn 320B chính là tiền thân của sư đoàn 390 hiện nay. Năm 1972, sư đoàn vào Nam chiến đấu chủ yếu ở chiến trường Quảng Trị, trực tiếp tham gia Trận Thành cổ Quảng Trị. Sư đoàn tham gia Chiến dịch Hồ Chí Minh trong đội hình của Quân đoàn 1, trực tiép đánh chiếm Bộ Tổng Tham mưu Quân đội Việt Nam Cộng hòa.