Năm 1951, ông được bổ nhiệm về công tác ở Cục tác chiến giữ chức Cục phó (Cục trưởng Đỗ Đức Kiên). Với cương vị này, ông tham gia chỉ huy chiến dịch đông – xuân 1951 – 1952, chiến dịch thu-đông 1952 và chiến cục đông – xuân 1953 – 1954 với đỉnh cao là chiến dịch lịch sử Điện Biên Phủ. Cấp bậc của ông trong thời gian này là đại tá.