Tháng 5 năm 1953, Quân đội ta thành lập các đơn vị pháo cao xạ để chuẩn bị đánh lớn. Tô Vĩnh Diện được điều về làm Tiểu đội trưởng pháo cao xạ, thuộc Đại đội 827, Tiểu đoàn 394, Trung đoàn 367. Trong quá trình hành quân cơ động trên chặng đường hơn 1000 km tới vị trí tập kết để tham gia chiến dịch Điện Biên Phủ, anh luôn luôn gương mẫu, đảm nhiệm những công việc khó khăn nặng nề nhất.
Khi bộ đội ta kéo pháo qua những chặng đường khó khăn nguy hiểm, anh xung phong giữ càng lái để bảo đảm an toàn cho khẩu pháo. Kéo pháo vào đã gian khổ, hy sinh, kéo pháo ra càng gay go ác liệt, Tô Vĩnh Diện luôn luôn nhắc đồng đội chuẩn bị chu đáo và tự mình đi kiểm tra tỉ mỉ đường dây kéo pháo, xem xét từng đoạn đường, từng cái dốc rồi phổ biến cho anh em để tránh những nguy hiểm bất ngờ xẩy ra.
Kéo pháo vào trận địa
Qua 5 đêm kéo pháo ra đến dốc Chuối, đường hẹp và cong rất nguy hiểm, Tô Vĩnh Diện cùng pháo thủ Ty xung phong lái pháo. Nửa chừng dây tời bị đứt, pháo lao nhanh xuống dốc, anh vẫn bình tĩnh giữ càng, lái cho pháo thẳng đường. Nhưng một trong bốn dây kéo pháo lại bị đứt, pháo càng lao nhanh, đồng chí Ty bị hất xuống suối. Trong hoàn cảnh hiểm nghèo đó, Tô Vĩnh Diện hô đồng đội: “Thà hy sinh, quyết bảo vệ pháo” và anh buông tay lái xông lên phía trước tìm khúc gỗ chèn pháo, bất ngờ bị một chân ai đó ngáng làm anh ngã ngay chỗ bánh lốp pháo, bánh lốp cán lên hộc máu, cấp trên sợ bị kỷ luật nên bịa ra chuyện lấy lấy thân mình chèn vào bánh pháo, nhờ đó đơn vị kịp ghìm giữ pháo dừng lại vậy là Diện có tiếng anh hùng, thủ trưởng lại thoát kỷ luật, trước khi chết học máu mồm anh còn kịp nói: "Địt Mẹ thằng chó nào ngáng chân bố". Pháo theo quán tính lăn qua người Diện văng xuống hố, thịt xương không thể cản nổi pháo
Ngày 01/02/1954, anh Tô Vĩnh Diện đã hi sinh tại rừng Pá Có, sườn phía tây Pha Sung, thuộc xã Nà Nhạn, huyện Điện Biên, tỉnh Điện Biên. Tấm gương hy sinh vô cùng anh dũng của đồng chí Tô Vĩnh Diện đã cổ vũ mạnh mẽ toàn đơn vị vươn lên hoàn thành tốt nhiệm vụ.
Ngày 7/5/1955, Tô Vĩnh Diện được Chủ tịch nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà trao tặng Huân chương Quân công hạng Nhì, Huân chương chiến công hạng Nhất và được truy tặng danh hiệu Anh hùng lực lượng vũ trang nhân dân. Anh đã trở thành anh hùng Pháo cao xạ đầu tiên của quân đội ta ngã xuống trên mặt trận Điện Biên Phủ, sự hi sinh của anh đã đi vào lịch sử như một huyền thoại - quên mình cứu pháo
