Около 11 часов утра подразделения грузинской 4-й пехотной бригады вошли в город с юго-запада, по дороге со стороны села Тбет. Спецподразделения МВД Грузии при поддержке бронетехники отдельного танкового батальона и отдельного батальона легкой пехоты вошли в город с юга, от села Земо-Никози. В этот раз они не встретили существенного сопротивления со стороны полуразрушенной и горящей российской базы миротворческих сил. Тем не менее для ее блокирования было выделено подразделение, отрезавшее базу от Цхинвала. Миротворческий лагерь оказался фактически в окружении.
Грузинские войска и силы МВД продвигались по крупным улицам Цхинвала, выставляя блокпосты на перекрестках и постепенно зачищая территорию. Южноосетинские силы оказывали сопротивление мелкими, численностью до отделения, группами легковооруженных омоновцев, милиционеров и ополченцев, не имевших связи между собой и испытывавших дефицит боеприпасов и противотанковых средств. Узлами сопротивления таких групп стали районы многоквартирных домов на южной и юго-западной окраине города.
К востоку от Цхинвала грузинское наступление тоже развивалось успешно. К 11 часам утра батальоны 3-й пехотной бригады заняли укрепленные осетинские позиции на высотах Кохати, захватив там несколько минометов, и вышли к окраинам села Дменис. Там их продвижение замедлилось, а южноосетинские вооруженные силы огнем с позиций с окрестных высот сковывали перемещения грузинских войск, а вскоре первые удары по грузинским силам нанесла российская авиация.
В одиннадцатом часу утра Россия начала воздушную кампанию против Грузии. С первых же вылетов российская авиация была задействована не только для атак по наступавшим грузинским войскам в окрестностях Цхинвала, но и для бомбардировок тыловых объектов. В 10.30 нанесен бомбовый удар по военной базе Вазиани, которая являлась сборным пунктом резервистов. Несколько человек получили ранения. В 10.57 произведен удар по базе отдельного танкового батальона в Гори.
В Цхинвале наиболее крупная (несколько десятков человек) и хорошо экипированная группа южноосетинского ополчения сосредоточилась в районе штаба миротворческих сил. Руководство ею принял председатель Совета безопасности Южной Осетии генерал Анатолий Баранкевич. Около 14.00 грузинский танк Т-72 № 406 из состава отдельного танкового батальона вышел к штабу смешанных сил по поддержанию мира (Нижний городок) на перекрестке улиц Московской и Привокзальной. Там он был поражен секретарем Совета безопасности Южной Осетии Анатолием Баранкевичем огнем из РПГ-7. Попадание пришлось в кормовую часть башни и вызвало детонацию боекомплекта, в результате чего танк был полностью уничтожен вместе с экипажем. Спустя несколько минут, на этом же перекрестке ополченцами были подбиты еще два грузинских Т-72 из состава того же батальона.
Практически одновременно с уничтожением этих трех танков пара российских штурмовиков Су-25 нанесла удар по расположившемуся на отдых в Дубовой роще у западной окраины города 42-му легкому пехотному батальону грузинской 4-й пехотной бригады. В результате бомбардировки оказались убиты свыше двадцати грузинских солдат и несколько десятков получили ранения. Батальон обратился в бегство, бросив убитых и технику, включая не менее трех из приданных ему танков (бортовые №№ 103, 109, 111). Потери, понесенные в городе, обозначившееся вступление в боевые действия российской стороны и мгновенно распространившиеся панические слухи о «гибели 42-го батальона» привели к резкому падению морального духа грузинских войск, штурмовавших город, и они начали отступать из него. Таким образом, на 14.00 8 августа пришлось максимальное продвижение грузинских войск в Цхинвале. К этому времени они сумели взять под контроль не более 30% его территории.
Около 14.00 в зоне конфликта началось сосредоточение основной части грузинской 2-й пехотной бригады, прибывшей из Сенаки. Ее подразделения собирались у села Тахтисдзири, окончательно завершив сосредоточение к концу дня. Несколько танков бригады и пехотная рота, прибывшие одними из первых, были срочно направлены в район Эредви для поддержки затормозившегося наступления 3-й пехотной бригады и выдвинутого из резерва 53-го легкого пехотного батальона 5-й пехотной бригады.
В 14.15 грузинское правительство выступило по телевидению с заявлением о «гуманитарном прекращении огня» с 15.00 до 18.00 для обеспечения выхода из Цхинвала гражданского населения. Сдавшимся осетинским ополченцам предложена амнистия. При этом для гражданского населения был предложен только один коридор выхода – в южном направлении, на территорию Грузии. Это предложение осталось практически незамеченным населением города, которое в это время в массе своей укрывалось в подвалах от грузинских артиллерийских обстрелов и не имело возможности отслеживать передачи СМИ.
К 15.00 открыли огонь по грузинским войскам развернувшаяся артиллерия российского 693-го мотострелкового полка и реактивные установки залпового огня БМ-21 «Град» 292-го смешанного артиллерийского полка, что лишь усилило панику в отступавших грузинских войсках. К четырем часам дня Цхинвал оказался практически полностью оставлен ими. Грузинские войска закрепились лишь на южных окраинах города и в пригородном районе Шанхай, по-прежнему блокируя российский миротворческий лагерь. Воспользовавшиеся передышкой южноосетинские ополченцы сумели частично наладить связь и координацию, пополнить боеприпасы и начали зачистку города, ликвидируя очаги сопротивления.
Почти одновременно с сорванным штурмом города прекратилось грузинское наступление и к востоку от него. Попавшие под артиллерийский обстрел российских и осетинских войск и подвергнувшиеся нескольким авианалетам легкие пехотные батальоны 3-й бригады отступили с захваченных позиций обратно к Эредви. Танки 2-й и 3-й пехотных бригад, введенные на подступы к Цхинвалу, опасаясь российской авиации, отступили еще глубже в тыл.
В 16 часов началась переброска из Пскова в Беслан батальонной тактической группы 104-го десантно-штурмового полка самолетами Ил-76 103-го военно-транспортного авиационного полка ВВС России, одновременно продолжался ввод в Южную Осетию сил 19-й мотострелковой дивизии. Продолжалась деятельность российской боевой авиации. Она самолетами Су-24 и Су-25 наносила удары по местам скопления грузинских войск в окрестностях Цхинвала и по дороге Гори–Цхинвал, а также по объектам военной инфраструктуры в глубине Грузии.
В 15.05 опять подверглась бомбардировке военная база Вазиани, на которой происходил сбор резервистов, имелись разрушения и небольшие потери среди резервистов. В 16.30 два российских фронтовых бомбардировщика Су-24М нанесли удар по главной авиабазе Грузии – Марнеули, уничтожив три легких транспортных самолета Ан-2 грузинских ВВС. В 17.00 удар по ней повторила пара Су-25, а в 17.35 – тройка Су-24М. Бомбардировке подвергся также аэродром Болниси. Около 18 часов российские ВВС потеряли первый самолет. Над Зарской дорогой в районе сосредоточения российских войск и южноосетинских сил ополченцами по ошибке был сбит штурмовик Су-25 подполковника Олега Теребунского из 368-го штурмового авиационного полка из Буденновска. Российскому пилоту удалось успешно катапультироваться.
К 17 часам на грузинскую временную вертолетную площадку в районе Каспи прибыли еще три боевых вертолета Ми-24 ВВС Грузии с авиабазы в Сенаки. Это довело грузинскую вертолетную группу там до внушительной численности в шесть вертолетов Ми-24. Но использование вертолетов было затруднено господством в воздухе российских истребителей. Поэтому 8 августа грузинское командование так и не решилось использовать свои Ми-24.
К 18 часам закончились переброска в зону конфликта по железной дороге и сосредоточение на исходных позиция основных сил свежей грузинской 2-й пехотной бригады. Она стала готовиться к атаке в направлении оставленного 4-й пехотной бригадой села Хетагурово. К этому времени в операции против Южной Осетии оказались задействованы практически вся армия Грузии, кроме части 1-й и 5-й бригад, и значительная часть внутренних войск.
