در پی بازسازی یگانها و انتقال قرارگاه فجر از منطقه فکه با سازماندهی جدید، مرحله چهارم عملیات با سه قرارگاه فتح، فجر، نصر طرحریزی شد. بر اساس تدبیر جدید، مقرر شد نیروها به مسدود کردن عقبه دشمن از جاده شلمچه و سپس، ورود به داخل شهر، ضمن محاصره خرمشهر،بخش وسیعی از نیروهای دشمن را منهدم و به محاصره درآورند.
مرحله چهارم عملیات در ساعت 25: 22 روز دوم خرداد 1361 آغاز شد. در این مرحله، نیروهای قرارگاه فتح به پلیس راه خرمشهر رسیدند و نیروهای قرارگاه فجر، پل نو را تصرف و به سمت اروند رود پیشروی کردند. در این حال، نیروهای قرارگاه نصر نیز با پیشروی در امتداد مرز و پاکسازی و انهدام دشمن، به سمت جنوب و به سمت نهر خین حرکت کردند. مقاومت عراقیها به ویژه در پل نو به منظور باز نگه داشتن عقبه نیروهای خود، نتیجهای در بر نداشت و سرانجام، در سوم خرداد 1361 برخلاف تصور دشمن که در دروازههای شرقی، شمالی و جنوبی در کمین نیروهای خودی بود، رزمندگان اسلام از دروازههای غربی و شمالی و از همان محوری که دشمن وارد خرمشهر شده بود، وارد خرمشهر شده و شهر را آزاد کردند.
