在北線，遠東第2方麵軍於9日1時發起進攻，獨立第5軍強渡烏蘇裏江，14日占寶清。第15集團軍在黑龍江區艦隊協同下，強渡黑龍江，於14日經激戰攻占富錦築壘地域，打通了至佳木斯的道路。第2集團軍先擔任黑龍江北岸海蘭泡沿線的防禦，11日轉入進攻，因渡河器材不足，隻得分批投入戰鬥，進展緩慢，於14日才包圍了孫吳和愛輝築壘地域。
經戰役第一階段6天的交戰，後貝加爾方麵軍越過大興安嶺，前進450～500公裏，前出到東北平原；遠東第1方麵軍前進150～200公裏，前出到牡丹江平原；遠東第2方麵軍前進50～100公裏，前出到佳木斯的接近地；太平洋艦隊協同陸戰隊，占領了北朝鮮雄基、羅津等港口，切斷了日軍從海上的退路。關東軍的部署被割裂、打亂，失去統一指揮，隻有部分兵力仍在牡丹江市和海拉爾、孫吳、虎頭等築壘地域繼續抵抗。
8月15日，日本政府宣布投降，但關東軍並未停止抵抗。蘇軍繼續進攻。後貝加爾方麵軍於16日和17日相繼攻占劄蘭屯、挑南、通遼、赤峰、張北等地。由於道路泥濘，坦克集團軍隻能沿鐵路路基運動，每晝夜前進速度平均40～50公裏，主力在先遣支隊後麵跟進，沒有進行戰鬥。部分兵力繼續圍攻海拉爾築壘地域。遠東第1方麵軍的第1和第5集團軍於17日攻占牡丹江市，俘日軍4萬餘人。當日，方麵軍右翼第35集團軍進占勃利，左翼第25集團軍進占圖們，並向北朝鮮推進。部分兵力仍在虎頭和東寧築壘地域同日守軍進行激烈爭奪戰。遠東第2方麵軍的第15集團軍於17日攻占佳木斯後，沿鬆花江追擊退卻之敵。第2集團軍在航空兵和炮兵支援下，對孫吳築壘地域展開猛烈攻擊。
8月17日，關東軍下令停止抵抗，日軍開始投降。鑒於各兵團離戰役目標尚遠，華西列夫斯基於18日命令各方麵軍派出快速支隊，迅速進占重要城市和交通樞紐。從18日起，蘇軍以臨時編組的小分隊，先後在13個重要城市（內有朝鮮4個）實施空降，控製機場和市區重要目標，接受日軍投降。20日、21日，東西對進的蘇軍快速支隊分別在哈爾濱、長春、沈陽會合。駐守虎頭和東寧築壘地域的日軍，直到8月26日才停止抵抗。
與此同時，8月11日至25日，蘇軍第16集團軍在太平洋艦隊部分兵力的協同下，實施了南庫頁島進攻戰役；8月18日至9日1日，遠東第2方麵軍一部在第16集團軍一部和太平洋艦隊的編隊協同下，實施了千島群島登陸戰役。
遠東戰役，蘇軍共殲關東軍、偽滿軍和偽蒙軍的全部，第17和第5方麵軍的一半，以及鬆花江江上軍，總共10個軍、1個集團軍級集群和1個區艦隊。日軍損失官兵約70萬人，其中8.3萬餘人被擊斃，60.9萬餘人被俘。俘虜中有陸海軍將級軍官148名。蘇軍傷亡3.2萬餘人。
蘇軍繳獲了大量的戰利品。僅後貝加爾方麵軍和遠東第1方麵軍就繳獲1565門火炮、2139門迫擊炮和600輛坦克、861架飛機、9508挺輕機槍、2480挺重機槍、2129輛汽車、約1.8萬匹馬、679座倉庫及許多其他戰鬥技術裝備和軍用物資。遠東第2方麵軍和紅旗黑龍江區艦隊俘獲日軍鬆花江江上軍的全部艦艇。