8月8日夜,苏军3个方面军、太平洋舰队和黑龙江区舰队的部队占领进攻出发地域(阵位)。9日零时,各先遣支队越过国境。拂晓,主力先后发起进攻,航空兵分两批袭击哈尔滨、长春、吉林和沈阳,太平洋舰队在日本海积极行动。
在西线,后贝加尔方面军各先遣支队利用夜暗,不经炮火准备,同时在所有方向越过国境。4时30分,方面军主力开始进攻,基本未遇日军抵抗。坦克第6集团军在相隔70余公里的两个方向上成两路以疏开队形快速前进,战役第一天前进150公里。10日下午,又前进100余公里,主力到达大兴安岭。由于进展顺利,方面军司令员要求坦克集团军提前完成当前任务,于8月12日日落前,前出到鲁北、突泉一线。坦克第6集团军遂在行进间变更部署,坦克第5军由第2梯队改为第1梯队,当夜登上大兴安岭,占领了台日黑达坝。8月12日,坦克集团军全部越过大兴安岭,其先遣支队已于11日攻占鲁北,12日攻占突泉。左翼第36集团军于11日攻克满洲里筑垒地域,坦克部队在海拉尔筑垒地域,遭日军顽抗,主力实施迂回。右翼苏蒙骑兵机械化集群分两路开进,一路14日攻占多伦,另一路15日占领张北。
在东线,远东第1方面军先遣支队于9日1时趁夜暗和暴雨偷渡乌苏里江,袭击日军边境筑垒地域。8时30分,主力发起进攻,除个别方向外,均未进行炮火准备。左翼第25集团军和右翼第35集团军分别遭到日军东宁、虎头筑垒地域的顽抗,屡攻不克,前进受阻,主力被迫迂回,留下一部兵力,并调来重炮和轰炸航空兵,继续攻击。第5集团军以先遣支队消灭日军火力点后,主力迅速前进,于战役第2天攻占绥芬河,14日攻入牡丹江市区,与第1集团军协同,同日军展开巷战,为提高进攻速度,避免陷入僵局,方面军司令员决心以主要力量从牡丹江市南面迂回,直插吉林。
在北线,远东第2方面军于9日1时发起进攻,独立第5军强渡乌苏里江,14日占宝清。第15集团军在黑龙江区舰队协同下,强渡黑龙江,于14日经激战攻占富锦筑垒地域,打通了至佳木斯的道路。第2集团军先担任黑龙江北岸海兰泡沿线的防御,11日转入进攻,因渡河器材不足,只得分批投入战斗,进展缓慢,于14日才包围了孙吴和爱辉筑垒地域。
经战役第一阶段6天的交战,后贝加尔方面军越过大兴安岭,前进450~500公里,前出到东北平原;远东第1方面军前进150~200公里,前出到牡丹江平原;远东第2方面军前进50~100公里,前出到佳木斯的接近地;太平洋舰队协同陆战队,占领了北朝鲜雄基、罗津等港口,切断了日军从海上的退路。关东军的部署被割裂、打乱,失去统一指挥,只有部分兵力仍在牡丹江市和海拉尔、孙吴、虎头等筑垒地域继续抵抗。