8月19日晚，蘇軍向羅馬尼亞部隊發射火光信號和照明彈，得到了羅馬尼亞部隊的答複。戰後，蘇聯描述這次戰役的著作中，從不提蘇羅之間的密約，而是把這次戰役描寫成蘇軍戰勝德羅聯軍的典範。
蘇軍的行動被德軍偵察到了，而且很多蘇軍部隊根本不屑掩飾進攻的意圖。8月18-20日，每夜都有蘇軍部隊經過羅馬尼亞第5騎兵師的陣地，羅馬尼亞第5騎兵師早就扔掉武器離開了陣地。
8月20日上午，經過猛烈的炮火準備，烏克蘭第3方麵軍第5集團軍試圖把德軍第6集團軍的第52軍攔截在基希涅夫以南。
為了給蘇軍讓路，羅馬尼亞第29軍的兩個師秘密撤走了。蘇軍第57、第37集團軍趁機攻入羅馬尼亞第3集團軍防線。很快，德軍第6集團軍右翼的第39軍遭到蘇軍的攻擊。
在德軍第6集團軍防線的西北方向，蘇軍第2烏克蘭方麵軍經過羅馬尼亞第4集團軍在雅西西北的陣地。大量羅馬尼亞師早就秘密撤走，隻留下德軍單獨作戰。
8月20日，蘇軍第27、第52集團軍推進了19公裏。蘇軍第6坦克集團軍隨後發起進攻，於8月21日推進到雅西附近的開闊地。
8月21日傍晚，第3烏克蘭方麵軍將德軍第6集團軍與羅馬尼亞第3集團軍的聯係切斷。德軍第3山地師遭到幾百名羅馬尼亞士兵的進攻。
8月22日，第3烏克蘭方麵軍的第46集團軍突圍包圍了海邊的杜米特雷斯庫的羅馬尼亞軍隊。
安東奈斯庫會見德軍將領時不得不承認，大部分羅馬尼亞軍隊投靠了蘇軍。他還告訴德國人，德軍安插在羅馬尼亞部隊的聯絡參謀和指揮官被羅馬尼亞部隊逮捕；羅馬尼亞部隊拒不服從安東奈斯庫的命令，除非是來自國王的命令。
蘇軍已經深入德軍後方。德軍立即把所轄的羅馬尼亞師全部請走，把德軍第29軍從羅馬尼亞軍中調了回來，又把原先隸屬羅馬尼亞軍指揮的德軍師調回。德軍第6集團軍和第8集團軍全線撤退。
8月23日，德軍20個師的大部分兵力被蘇軍包圍在德涅斯特河和普魯特河之間。
8月23日傍晚，在王宮，羅馬尼亞國王下令逮捕安東奈斯庫、國防大臣潘塔齊和內務大臣瓦西利烏。
當晚10時，國王宣布成立以薩納捷斯庫為首的新政府，他向全國人民發表了廣播演講，宣布羅馬尼亞退出戰爭，羅馬尼亞軍隊停止一切軍事行動；德軍必須在14天內撤出羅馬尼亞。
當天晚上，駐羅馬尼亞的德軍新任司令弗裏斯納請求撤往匈牙利，希特勒表示反對，並下令逮捕國王和“叛徒集團”，安排新的羅馬尼亞將軍為羅馬尼亞元首。弗裏斯納表示這一行動無法完成。
約德爾命令德國駐羅陸軍使團司令漢森，派第5高炮師前去占領羅馬尼亞首都布加勒斯特。
8月24日，蘇軍占領胡希-列奧沃地區後，全速向南和西南方向推進。德軍既要掩護德國軍事和民事機構撤退，又要建立新的防線來阻擋蘇軍攻入匈牙利，還要將第6集團軍從包圍圈中救出來。但德軍沒有被包圍的部隊隻剩78門強擊火炮和45輛坦克。
8月24日上午，德國大使館和德軍控製的建築物全部被羅馬尼亞軍隊包圍。雙方經過談判，羅馬尼亞軍隊允許德國人撤離布加勒斯特，條件是德軍第5高炮師必須返回原地。
德軍在羅馬尼亞境內的形勢持續惡化，布加勒斯特街頭出現了大量羅馬尼亞坦克，德軍第5高炮師未能進入首都。大批分散在羅馬尼亞各地的德軍特遣隊、機場、倉庫和醫院等各種機構處境危險，這些德國人完全要靠羅馬尼亞部隊的同意才能撤離。德軍和羅軍之間發生了零星的衝突。
8月25日，希特勒不顧將領們的反對，出動150架次飛機轟炸布加勒斯特。羅馬尼亞新政府立即向德國宣戰。羅馬尼亞軍突然變成了敵軍，德軍的撤退更加困難。
弗裏斯納率領集團軍群和兩個集團軍剩下的部隊向西撤退。不久，弗裏斯納與被包圍的部隊失去了一切聯係。
蘇軍在發動進攻前，就從羅馬尼亞部隊那裏掌握了德軍兵力部署的詳盡情報。事實上，在包圍圈內的德軍始終未停止撤退行動，但德軍的步兵部隊無法逃脫蘇軍機械化部隊的圍追堵截。
德軍第79師於8月21日清晨離開陣地。其他師接著在8月22日晚撤退。德軍在撤退前銷毀了大量的火炮。羅馬尼亞第11師的部隊成群結隊地向後方逃跑，跟德軍說是遭到了蘇軍坦克的進攻。事實上，他們連一輛蘇軍坦克都沒有遇到。
8月23日，德軍繼續向西撤退，大量被擊毀或拋棄的車輛阻塞了公路。如果離開公路，德軍的撤退因有樹木叢生的崇山峻嶺的阻礙將變得十分困難。
8月24日，德軍的許多傷員乘坐羅馬尼亞馬車撤退，很多人神誌不清或者奄奄一息。當天偶然接到的一份無線電報說，後方勤務部隊在胡希遭到蘇軍的圍攻。至此，德軍的彈藥補給中斷，很多部隊以地裏收來的玉米為主食。