团第5集团军（12个步兵师，5个坦克旅），向牡丹江方向进攻。该方向是关东军第124师团防区。苏军10日攻占绥芬河，11日占领穆站，13 日突破穆西方的日军防御阵地，守敌第124师团大部被歼。14日第5集团军与红旗第1集团军并肩作战，开始进攻牡丹江。此时，日军第126、135师团已撤至掖河附近，防守牡丹江。经3日激战，16日苏军占领牡丹江。日军主力退向横道河子。南路右翼，红旗第1集团军（6个步兵师、3个坦克旅），向八面通方向日军第126师团防区进攻。11日占领八面通，13日进抵掖河以北，14日与第5集团军协同作战，攻克牡丹江。之后，向哈尔滨挺进，18日先头机动支队突入哈尔滨。同一天，远东第1 方面军空降部队也在哈尔滨空降。南路左翼，第25集团军（4个步兵师，1个坦克旅），向东宁、汪清及朝鲜东北角进攻。该方向由关东军直辖的第128师团和第3军防守。首先，在东宁附近遇到日军独立混成第132旅团的两个大队，凭借国境阵地进行顽抗， 分别坚持到16日；26日才停止战斗，损失惨重。在激烈的战斗中，苏军也付出了相当的代价，出现了波波夫（列兵）和菲尔索夫（下士）两名黄继光式的“苏联英雄”。第25集团军主力15日占汪清，19日进抵延吉；一部进入朝鲜东北角，12日占领雄基、罗津，16日占领清津。远东第1方面军直辖的预备队机械化第10军（1个坦克旅，2个机械化旅），12日投入战斗，经敦化，20日进抵吉林。在此前一天的19日远东第1方面军的空降部队已在吉林空降。
东线北路，第35集团军（3个步兵师、2个坦克旅），渡过乌苏里江，向密山方向关东军第135师团防区进攻。首先遇到关东军第15 国境守备队凭借国境阵地的顽强抵抗，直到26日才全部被歼。主力部队12日占领密山，13日占领东安，16日占领勃利。
北线，远东第2方面军，作战区域为虎头—哈尔滨之线以北， 齐齐哈尔—嫩江之线以东地区。中路，第15集团军（3个步兵师，3个坦克旅），渡过黑龙江向佳木斯方向前进。该方向是日军第134师团防区。苏军10日占领萝北、同江、抚远。11日在黑龙江舰队的协同下进攻富锦，驻守该地的伪江上军第2团当即投降。但据守市区以南的日军1个大队约800人，凭借坚固工事顽强抵抗，至13日不支，退往方正。苏军17日占领佳木斯，19日进抵依兰，同日，苏军一部由黑龙江舰队运载，进抵哈尔滨。左路，独立第5军（2个步兵师，1个坦克旅），渡过乌苏里江向宝清方向进攻。 该方向没有日军防守，长驱直入，10日占领饶河，14日进入宝清，17日进抵勃利。右路，红旗第2 集团军（3个步兵师，3个坦克旅），渡过黑龙江，向驻守孙吴、 嫩江方面的日军第123师团等发起进攻。在孙吴和瑷珲遇到日军抵抗。据守孙吴的第123 师团一直战斗到17日才投降；驻瑷珲的独立混成第135旅团坚持到21日才放下武器。 苏军占领孙吴后，一路南下进抵北安；一路西进突向嫩江。
开战以后仅10天左右，至8月20日，除旅大地区外， 东北的主要城市均被苏军占领。到8月24日，后贝加尔方面军的近卫坦克第6集团军和第39集团军各一部，先后进入旅顺、大连，至此，东北全部解放。
三中国人民的大反攻
苏联出兵东北，为中国人民全面反攻日本侵略者提供了有利时机。中国共产党领导的敌后解放区抗日武装力量，将持续近两年的局部反攻，发展为全面大反攻。抗日联军各部队也在东北或随苏军一起展开了全面反攻作战。
1945年8月9日，毛泽东以《对日寇的最后一战》为题发表声明，指出“最后地战胜日本侵略者及其一切走狗的时间已经到来了。在这种情况下，中国人民的一切抗日力量应举行全国规模的反攻，密切而有效力地配合苏军及其他盟国作战”。《毛泽东选集》合订本，人民出版社，1964；第1018页。这一声明正式宣告了中国人民抗日大反攻的开始。翌日，朱德总司令发布战略大反攻的作战命令，要求八路军、新四军和其他抗日部队向各地日伪军展开反攻，其中特别命令“现驻河北、热河、辽宁边境之李运昌部即日向辽宁、吉林进发”。延安《解放日报》，1945年8月10日、11日。各有关部队接到延安总部命令之后，立即进行紧急动员，迅速集中部队整装出发。一支支强大的反攻大军，向尚在顽抗的日伪军发起猛烈攻击。
晋绥军区的八路军于8月12日挥师北上，在苏、蒙联军配合下于22日攻克张家口市，占据了由陕甘宁和晋绥边区通往东北的重要通道。
冀热辽军区接到总部命令之后，于8月13日组成“东进工作委员会”和“东进指挥部”，由李运昌任书记兼司令员，于8月中、下旬分3路，北出长城各口，迅速向东北挺进。西路部队于8月中旬从冀东平谷出发，经兴隆县向伪满统治下的承德地区进军，一路上先后解放了兴隆、滦平、承德等县，最后进入承德市与苏军会师。中路部队于8月17日经喜峰口出长城，向平泉、凌源、赤峰、北票、朝阳进军，8月20日在平泉与苏军会师，先后解放了平泉、建平、赤峰周围大片地区。东路是冀热辽八路军挺进东北的主力，号称“八路军挺进东北先遣纵队”，于8月16日从冀东抚宁县出发；8月29日，八路军从九门口跨过长城，进入辽宁绥中县境内。30日中苏两军会师，攻占军事重镇山海关。李运昌：《挥师出关》，《八·一五这一天》光明日报出版社；1985；第325页。
而后，曾克林，唐凯率领所部乘火车向沈阳疾进，沿途收复了绥中、兴城、锦西、锦州等13个县、2个市，收缴日伪军7000余人的武装。9月5日，2000余名八路军指战员开进东北最大城市沈阳，受到数万市民自发的热烈欢迎。
八路军自8月中旬挺进东北以后，很快收复辽宁省的36个市、县，还向吉、黑两省派出部队和干部，控制了吉林东部8个市、县和黑龙江的2个市，共解除伪满军约4万人的武装，歼灭、收降日军残余5000余人，还从敌伪手中缴获了大量武器装备和各种军用物资，以勇猛的进攻和辉煌的战绩配合了苏军作战，为解放东北做出了重大贡献。
山东八路军万毅等部，奉命从山东半岛出发横渡渤海，在辽东半岛的庄河、大孤山等地登陆。于是，伪满南部地区完全被八路军收复。
在苏联红军向东北发起进攻的前后，坚持了14年抗日斗争的东北抗日联军也奋起参战，掀起了抗日大反攻，在解放东北的过程中发挥了十分重要的作用。从1945年7月下旬开始，直至8月9日凌晨，抗联教导旅先后抽出数百名指战员组成先遣小分队，分期分批插入敌后，按照苏军各路部队的预定进攻方向，抗联小分队分别空降到牡丹江、鹤岗、海拉尔、满洲里、洮南、鲁北、通辽、开鲁、扎赉诺尔、索伦、赤峰、长春、蛟河、长白、辉南、海龙、磐石、拉法等地，执行战前侦察和协助大部队进攻的任务，同时相机发动群众，建立抗日武装。
如李明顺率领的小分队空降在海林县拉古南甸子。苏军进攻开始后，小分队密切监视日军动向，并向苏军发电通报，苏军飞机很快出动，炸断了日军撤退时必经的桥梁。李明顺小分队还在海林县公开发动和武装群众，消灭逃散的日军小部队。在8月16日苏军攻克牡丹江时，李明顺分队已组织起百余人的武装部队，积极参加了消灭日军残敌的战斗。《东北抗日联军史料》（下），党史资料出版社，1987，第749～752页。像李明顺分队一样，其他各抗联小分队都以机智、果敢的行动出色地配合了苏军的进攻，同时大力发动群众，建立抗日武装，阻击溃逃伪军，摧毁日伪政权，充当了解放东北的尖兵和先锋队。
在苏军向东北发起进攻时，一直在东北境内坚持抗日游击战争的抗联小分队也一跃而起，以各种战斗方式扰乱敌后方，与苏军一起对日伪政权实行内外夹击。如穆棱县泉眼河的王亚忱小部队，在苏军开战后立即在原活动地区大力发动群众。他们解决了一支惊慌失措的700多人的日军部队，夺取了全部武器装备，使队伍迅速壮大。这支部队后来发展到3000多人，在战斗中与苏军会师。长期活动于延边地区的朴更芝抗联小分队，在苏军进攻开始后的数日之间便迅速扩大为数千人的大部队，在苏军尚未到达时就已威震敌胆，浩浩荡荡地攻城夺镇，为延边地区的解放立下了汗马功劳。在三江平原地区，抗联小部队的活动本来就很活跃。大反攻开始以后，这些小部队迅速发展壮大，积极参加了解放饶河、宝清、富锦、同江、汤原等地的战斗。从1942年起一直在北满地区领导抗联小部队斗争的于天放，在被日军俘获并宣布死刑的当天夜里越狱逃出，正逢苏军进攻开始，他随即联络旧部，发动群众，在北安一带组建了人民自卫军，并与王明贵、张瑞麟、王钧、陈雷等率领的抗联先遣队会合，在敌后向日军发动猛攻，有力地配合了苏军的行动。
在抗联各分遣队以各种方式投入反攻东北的作战行动之时，教导旅主力也在积极备战。但是，由于形势的变化和其他原因，抗联教导旅没能成建制地参加反攻东北作战。按照苏军的建议，抗联教导旅宣布解散，旅内的中、苏、朝人员分别处置。400多名朝鲜抗日战士直接返回朝鲜。余下的330名东北抗联指战员（已在东北的各类小分队除外）由周保中、李兆麟率领，分期分批返回东北，分赴各地抢占和接收各大、中、小城镇，参加了光复东北的战斗。
苏联红军之所以能够以摧枯拉朽之势一举击溃关东军。固然是由于苏、日军力对比悬殊，苏军占据了压倒优势。但不容忽视的是，由于东北抗日武装和全中国抗日力量对日本侵略者的沉重打击，使关东军的实力大大削弱，特别是抗联部队的英勇作战直接支援和配合了苏军的进攻，八路军与苏军同时由南北进军东北，这3方面的力量合在一起，最终使日本关东军和伪满洲国陷入了灭顶之灾。
四日本法西斯投降，关东军溃灭
8月9日清晨4时，苏联宣战的消息传到日本，万念俱灰的铃木首相无可奈何地哀叹：“一切终于迫临矣！”〔日〕迫水久常（铃木内阁书记官长）：《日本投降内幕》，载《八·一五这一天》，第61页。铃木随即谒见天皇裕仁，在原子弹和苏联出兵的双重威胁之下，天皇被迫表示愿意接受任何和平条件。上午10时，铃木以是否立即接受波茨坦公告为议题召开紧急最高战争指导会议，但意见仍不能一致。9日午夜，铃木召开了请天皇参加的“御前最高战争指导会议”。天皇当众表示同意在“保持国体”的前提下接受波茨坦公告，军方首脑不敢违背天皇意志，于是会议做出了有条件接受波茨坦公告的决定，此时已是8月10日凌晨。
接着，铃木又召开了内阁会议，正式批准了停战的决定。10日上午7时，外相东乡通过同盟社，以新闻的方式向美、中、英、苏等国发出了乞降照会。照会称：“日本政府准备接受美、中、英3国政府领袖于1945年7月26日在波茨坦所发表其后经政府赞成的联合公告所列举的条款。而附以一项谅解：上项公告并不包含任何要求有损天皇陛下为至高统治者的皇权。日本政府竭诚希望这一谅解能获保证。且切望关于此事的明白表示，能迅速获至。”《反法西斯战争文献》，第317页，世界知识出版社，1955。
中、苏、美、英各盟国在8月10日上午几乎同时收到了日本的乞降照会。美国政府不愿从无条件投降的要求后退，但又不愿放弃这个能使日本投降的机会，于是以盟国的名义草拟了一份对日本乞降照会的复文，说明“日本天皇及日本政府统治国家之权力，即须听从于盟国最高司令官”，“日本政府之最后形式将依日本人民自由表示之意愿确定之”。《反法西斯战争文献》，第319页。美国政府在征得中、苏、英3国同意之后，于8月11日通过驻瑞士使馆将复文转给日本政府，并立即通过电台向全世界播发。
苏联政府虽同意了复文，但同时认为，日本的乞降照会既非无条件，也不是具体的，所以，苏军的进攻不能停。
8月12日凌晨，日本政府得到了盟国复文。但是，对于复文是否答应了日本的要求及是否接受这个复文，日本内阁成员仍争论不休、议而不决。此后3天中，日本政府陷于极度紧张与混乱之中，狂热的军国主义者们在面临灭亡的最后关头迟迟下不了无条件投降的决心。
国际反法西斯联盟和各国人民却没有耐心等下去。苏联红军仍如狂涛般杀向日本关东军。8月13日，美国战略空军奉命重新开始行动，1000架飞机对东京进行了猛烈轰炸。同时，麦克阿瑟将军指挥下的陆、海、空军继续对日军实施猛攻。中国抗日军民也在各地掀起抗日反攻的高潮。
13日下午，美国政府通过无线电广播，斥责日本缺乏诚意，明言“该复文决非盟国永久保障日皇地位之意”。前引《八·一五这一天》，第67页。这就彻底打消了日本法西斯继续讨价还价的念头。但是，面临绝境的日本军部仍在顽抗，直到8月14日还在叫嚣“为摧毁苏联的野心而开始新的全面作战，要持久地对付苏、美、中”。《昭和二十年的中国派遣军》，中华书局，1982，中译本，第63页。陆相阿南甚至宣称：“纵使茹草啖泥、匍匐山野，只要坚决战斗，相信死地自有活路。”《日本外交年表和主要文书》，下卷，1969年再版本，第635页。然而，这只是一小撮军国主义分子的疯狂梦呓。到8月14日，各路盟军继续向各地日军猛烈进攻，日本已真正到了“非投降即毁灭”的最后关头。在这种情况下，日本天皇不得不再次出面，于14日上午10日50分下令召开特别御前会议，在大臣们的一片哀哭声中被迫做出无条件投降的决定