波茨坦公告发表后，日本最高战争指导会议于1945年7月27日开会，讨论波茨坦公告与苏联调停的问题。军部阿南惟几陆相、梅津美治郎参谋总长等主战派以种种条件为理由主张全面拒绝波茨坦公告；东乡外相等人则认为：苏联政府未在波茨坦公告上签名，因此苏联对日本仍然保持着法律上的中立，且盟国对过去所提出的无条件投降的要求有所缓和，所以应当先看一看苏联的态度，然后再最后决定日本的态度。
日本公开拒绝波茨坦公告，同盟国只有对日本法西斯进行最后一战。美国杜鲁门政府为了争取掌握占领日本的主动权，急欲单独迫使日本投降，以便获得在战后同苏联对抗的有利战略地位，遂于8月6日抢在苏联出兵之前在日本广岛投下第一颗原子弹。9日，又在长崎投下了第二颗原子弹。日本居民遭受的灾害是日本军国主义政府拒不投降的结果。8月8日17时（莫斯科时间，东京时间为当日23时），苏联外交人民委员莫洛托夫召见日本驻苏大使佐藤尚武，交给他一份苏联对日宣战书，宣布参加波茨坦公告，并当面宣布，苏联从8月9日起同日本处于战争状态。
苏联对日宣战，大大出乎日本意料之外。日军原来判断，苏军对德作战结束后，需要休整，对日作战时间可能在1946年春，最早也要在1945年9月上旬；苏军的主要进攻方向，可能由苏联远东滨海地区向中国东北实施。关东军根据这一判断，把防御重点定在中国东北的东部方向。
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日日暮，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军由第二梯队改为第一梯队，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。
8月15日，日本政府宣布投降，但关东军并未停止抵抗。苏军继续进攻。后贝加尔方面军于16日和17日相继攻占札兰屯、挑南、通辽、赤峰、张北等地。由于道路泥泞，坦克集团军只能沿铁路路基运动，每昼夜前进速度平均40～50公里，主力在先遣支队后面跟进，没有进行战斗。部分兵力继续围攻海拉尔筑垒地域。远东第1方面军的第1和第5集团军于17日攻占牡丹江市，俘日军4万余人。当日，方面军右翼第35集团军进占勃利，左翼第25集团军进占图们，并向北朝鲜推进。部分兵力仍在虎头和东宁筑垒地域同日守军进行激烈争夺战。远东第2方面军的第15集团军于17日攻占佳木斯后，沿松花江追击退却之敌。第2集团军在航空兵和炮兵支援下，对孙吴筑垒地域展开猛烈攻击。
8月17日，关东军下令停止抵抗，日军开始投降。鉴于各兵团离战役目标尚远，华西列夫斯基于18日命令各方面军派出快速支队，迅速进占重要城市和交通枢纽。从18日起，苏军以临时编组的小分队，先后在13个重要城市（内有朝鲜4个）实施空降，控制机场和市区重要目标，接受日军投降。20日、21日，东西对进的苏军快速支队分别在哈尔滨、长春、沈阳会合。驻守虎头和东宁筑垒地域的日军，直到8月26日才停止抵抗。
与此同时，8月11日至25日，苏军第16集团军在太平洋舰队部分兵力的协同下，实施了南库页岛进攻战役；8月18日至9日1日，远东第2方面军一部在第16集团军一部和太平洋舰队的编队协同下，实施了千岛群岛登陆战役。
远东战役，苏军共歼关东军、伪满军和伪蒙军的全部，第17和第5方面军的一半，以及松花江江上军，总共10个军、1个集团军级集群和1个区舰队。日军损失官兵约70万人，其中8.3万余人被击毙，60.9万余人被俘。俘虏中有陆海军将级军官148名。苏军伤亡3.2万余人。
苏军缴获了大量的战利品。仅后贝加尔方面军和远东第1方面军就缴获1565门火炮、2139门迫击炮和600辆坦克、861架飞机、9508挺轻机枪、2480挺重机枪、2129辆汽车、约1.8万匹马、679座仓库及许多其他战斗技术装备和军用物资。远东第2方面军和红旗黑龙江区舰队俘获日军松花江江上军的全部舰艇。