В половине второго ночи грузинская артиллерия начала артподготовку перед наступлением 2-й пехотной бригады. Интенсивный огонь продолжался до половины третьего ночи, после чего были лишь отдельные выстрелы. Утром, около 6 часов, грузинские войска перешли в наступление по нескольким направлениям. 22-й и 23-й легкие пехотные батальоны 2-й бригады при поддержке танков начали наступление по направлению к Хетагурово.

Там они встретили сопротивление российских мотострелков и танков, вошедших в село к ночи 8 августа, что затормозило наступление бригады. В перестрелке с дальней дистанции подразделения 2-й бригады потеряли не менее двух солдат убитыми. Немногочисленный российский отряд тем временем отступил из Хетагурово и по еще свободной дороге через Тбет прорвался в Цхинвал. Так как в городе к этому времени не было грузинских войск, отряд беспрепятственно достиг базы российских миротворцев на южной окраине. В 4 утра туда вошла разведывательная рота 135-го мотострелкового полка в составе 23 бойцов, а чуть позже прибыли два танка Т-72Б 141-го отдельного танкового батальона. Это облегчило положение блокированных на базе миротворцев и позволило им продержаться там до вечера 9 августа. Разведчики во взаимодействии с приданными миротворцам бойцами 107-го отряда специального назначения 10-й отдельной бригады специального назначения обеспечивали оборону периметра базы. Это не позволило грузинским войскам взять ее штурмом. Кроме того, разведывательная рота корректировала огонь российской артиллерии.

В Знаурском районе Южной Осетии ночью снова перешел в атаку 43-й легкий пехотный батальон. Совместно с небольшой группой резервистов он возобновил продвижение к поселку Знаур, который не удалось занять в предыдущий день. На востоке от Цхинвала опять началось наступление 3-й пехотной бригады в сторону Дменис и Тлиакана. В центре грузинами продолжалось формирование сводной группировки, которая должна была предпринять третью попытку крупномасштабного штурма Цхинвала.

В этот раз продвижение грузинских войск на всех направлениях проходило гораздо более медленно и осторожно, они подолгу задерживались, встречая укрепленные позиции и сопротивление южноосетинских сил. К 12.00 подразделения 2-й пехотной бригады легко заняли опустевшее село Хетагурово, оставленное передовым российским отрядом.

Утром 9 августа на протяжении всего нескольких часов российские ВВС потеряли сразу три боевых самолета. Около 9 часов утра над Сачхерским районом Грузии при выполнении боевого вылета грузинским комплексом ПВО был сбит дальний бомбардировщик Ту-22М3 из 52-го гвардейского тяжелого бомбардировочного полка из Шайковки. Два члена экипажа, майоры Нестеров и Прядкин, погибли, травмированный майор Малков был взят в плен грузинскими войсками, командир экипажа подполковник Ковенцов пропал без вести после катапультирования. Чуть позднее, около 10 часов, грузинским силам в районе Шиндиси огнем переносного ЗРК удалось сбить фронтовой бомбардировщик Су-24М из 923-го Государственного летно-испытательного центра в Ахтубинске, выполнявший вылет на подавление грузинской артиллерии. Экипаж катапультировался, но полковник Ржавитин погиб при приземлении. Раненый полковник Зинов попал в плен. Практически одновременно с ними над Цхинвалом был сбит (видимо, собственными войсками) и уже поврежденный при атаке грузинской колонны штурмовик Су-25СМ командира 368-го штурмового авиационного полка полковника Кобылаша. Ему удалось удачно катапультироваться над грузинскими селами Большого Лиахвского ущелья и выйти к своим войскам. Столь серьезные потери за столь малое время вынудили российское командование на 9 августа снизить интенсивность применения в боевых действиях авиации до анализа причин потерь. После потери Ту-22М3 до конца конфликта было приостановлено и участие дальней авиации в нем.

Отдельные вылеты российской штурмовой и бомбардировочной авиации тем не менее продолжались. В 11.30 при бомбардировке грузинской военной базы, расположенной в Гори, на улице Сухишвили, в результате авиационного удара и последовавшего пожара и взрыва склада боеприпасов, расположенного на территории базы отдельного танкового батальона, были серьезно повреждены три жилых пятиэтажных дома, находящихся по соседству с этим военным объектом. Этот инцидент стал наиболее крупной единовременной гибелью грузинских мирных жителей в ходе боевых действий, погибли 14 человек.

Около 13 часов грузинские боевые вертолеты Ми-24, пользуясь временным отсутствием в воздухе российской авиации, совершили боевой вылет и обстреляли из пулеметов и неуправляемыми ракетами позиции 4-го батальона министерства обороны Южной Осетии в районе села Гудзабар и асфальтового завода на окраине Цхинвала. Все вертолеты вернулись на базу под Каспи неповрежденными. Но и сам этот налет не нанес никакого ущерба южноосетинским или российским силам и не повлиял на ход боевых действий.

Несмотря на то, что в районе Земо-Никози уже заканчивалось сосредоточение грузинской группировки для нового штурма города, российской разведке не удалось вскрыть намерения грузинской стороны. Поэтому, пользуясь тем, что Цхинвал находился в руках южноосетинского ополчения и объездная Зарская дорога оказалась свободна, командующий 58-й армией Северо-Кавказского военного округа генерал-лейтенант Анатолий Хрулев принял решение перебросить в город российский мотострелковый батальон, дойти до южного лагеря российских миротворцев, разблокировать его и занять оборону по южной окраине Цхинвала, ожидая подхода подкреплений. Около 14 часов дня часть батальонной тактической группы 135-го мотострелкового полка в составе второй и третьей рот 1-го мотострелкового батальона, вместе с самим Хрулевым и находившейся на трех бронетранспортерах оперативной группой штаба 58-й армии, начала выдвижение с позиции на Зарской дороге в сторону Цхинвала.

Одновременно грузинская сторона в 14.00 начала артподготовку перед повторной попыткой штурма города. Российская колонна еще на подступах к городу попала под обстрел, потеряла подбитой одну БМП и три грузовика ГАЗ-66 минометной батареи, но продолжила движение. На подходе к Цхинвалу, в районе села Тбет, колонна обнаружила два брошенных на дороге еще 8 августа грузинских танка, № 110 и № 125 и подорвала их. Около 15.00 она вошла в город с западной стороны. Одновременно с южной стороны, от села Никози, в город начали заходить грузинские части в составе 21-го и 41-го легких пехотных батальонов, отдельного легкого пехотного батальона, части танкового батальона 2-й пехотной бригады и прочих армейских подразделений.

На окраине города российская колонна столкнулась с разведывательной ротой 2-й грузинской бригады. Встреча стала неожиданностью как для российских, так и для грузинских войск, в последовавшем скоротечном бою на предельно близких дистанциях потери понесли обе стороны. В том числе был ранен командующий 58-й армией генерал Хрулев и несколько российских журналистов, ехавших вместе с ним. Грузинское подразделение, понеся потери, вышло из боя, а российская колонна продолжила движение по городу к Верхнему лагерю миротворцев.

В это время наступающие грузинские войска начали его новый штурм. Танки, подойдя на близкую дистанцию, начали расстреливать полуразрушенное здание казармы, в подвалах которого укрывалась основная часть личного состава миротворческого батальона. В здании возник пожар, подвалы оказались задымлены, что сильно осложнило положение российских войск в лагере.

В районе поселка Шанхай, уже на окраине города, всего в 400 метрах от лагеря миротворцев около 15.30 головная часть колонны 1-го батальона 135-го мотострелкового полка столкнулась с основными грузинскими силами, включающими танки, и сразу же потеряла четыре БМП подбитыми. Примерно четверть колонны сумела отступить из города, а остальная часть оказалась заблокированной в нем, была вынуждена занять круговую оборону и вести бой в окружении. Роты оказались раздроблены на взводы, ведшие бой по отдельности, под руководством младших командиров. Большую часть техники батальона удалось сохранить, отведя ее с улиц во дворы домов.