Перед наступлением командование 1-го Дальневосточного фронта получило приказ нанести главный удар силами двух общевойсковых армий, одного механизированного корпуса, одной кавалерийской дивизии из района Гродеково в общем направлении на Мулин — Муданьцзян, чтобы к двадцать третьему дню операции достигнуть рубежа Боли — Нингута — Дунцзинчэн — станция Саньчакоу. В дальнейшем войскам предстояло выйти на линию Харбин — Чанчунь — Ранан. С целью обеспечения их действий на этом направлении планировались два вспомогательных удара: один на севере, другой на юге.

В час ночи 9 августа началось наступление войск 1-го Дальневосточного фронта. Внезапности нападения способствовал проливной грозовой дождь. Противник был застигнут врасплох. Хотя японские гарнизоны и получили приказ о готовности к отражению возможного наступления, предпринять что-либо они не успели. Передовые батальоны, с которыми в качестве проводников шли группы пограничников, точно выходили к намеченным объектам и уничтожали долговременные сооружения противника. О роли пограничников свидетельствует тот факт, что за два дня, 9 и 10 августа, в Приморском пограничном округе только без вести пропали 14 человек. Замечу, что потери пограничников в общие сводки не включены и полностью до сих пор не посчитаны.

За передовыми частями перешли в наступление главные силы фронта. В полосе 35-й армии войска форсировали реки Уссури и Сунгари и в тот же день прошли 10 км. Боевые действия войск 1-го Дальневосточного фронта затруднялись тем, что они велись в тайге и при полном бездорожье. Для движения артиллерии, танков и автомобилей прокладывались колонные пути, для устройства которых создавались отряды, куда входили несколько танков, подразделения автоматчиков и саперов. Танки валили деревья, а автоматчики и саперы растаскивали их и расчищали путь шириной до 5 м, затем дороги совершенствовались специальными частями.

Для ликвидации групп противника, окруженных в отдельных узлах сопротивления и опорных пунктах, оставлялись подразделения с артиллерией и авиацией. Японские гарнизоны этих пунктов оказывали ожесточенное сопротивление вплоть до 26 августа.

Главные силы фронта в трудных условиях горно-лесистой местности за двое суток на отдельных направления продвинулись на 75 км и овладели центрами укрепрайонов Хутоу, Пограничная, Дуннин и другими населенными пунктами. Активную помощь наземным войскам оказывала фронтовая авиация. Она наносила массированные удары по городам Хутоу, Чанчунь и Муданьцзян. Истребительная авиация надежно прикрывала свои войска с воздуха. Японские же самолеты лишь изредка, в основном по одному, реже небольшими группами, осмеливались пересекать линию фронта.

Чтобы прикрыть подступы к Центральной Маньчжурии, японское командование сосредоточило основное внимание на удержании рубежа по рекам Мулинхэ и Муданьцзян, и особенно города Муданьцзян. Здесь оборонялись войска 5-й японской армии в составе 5 пехотных дивизий, усиленных артиллерией. Подступы к Муданьцзяну прикрывались многочисленными долговременными железобетонными сооружениями, насыщенными пулеметами и артиллерией.

На муданьцзянском направлении наступали войска ударной группировки фронта — 1-я Краснознаменная и 5-я армии. С воздуха их поддерживали соединения бомбардировочной и штурмовой авиации, которые наносили эффективные удары по узлам сопротивления противника, отступающим войскам и подходящим резервам. 59-й стрелковый корпус 1-й армии с 75-й танковой бригадой сломил упорное сопротивление японцев в районе станции Машаньчжань и овладел крупным узлом дорог — городом Линькоу, в результате чего Муданьцзян был отрезан с севера.

26-й стрелковый корпус с 257-й танковой бригадой, уничтожая отдельные группы японцев, передовым отрядом форсировал реку Муданьцзян и ворвался с севера в город Муданьцзян. Здесь начались ожесточенные бои, доходящие до рукопашных схваток. Одновременно войска 5-й армии прорвали сильно укрепленную оборонительную полосу противника, овладели городом Мулин и развили наступление на Муданьцзян с востока.

Понимая важное оперативно-стратегическое значение Муданьцзяна, японцы принимали все меры к тому, чтобы удержать город в своих руках и этим воспрепятствовать продвижению советских войск в Центральную Маньчжурию. Японское командование перегруппировало свои войска с целью усиления муданьцзянской группировки. В результате этого только в полосе 5-й армии действовало 10 артиллерийских и 11 минометных батарей. На подступах к городу японцы заблаговременно подготовили оборону. Бои за Муданьцзян приняли напряженный характер.

14 августа бои за Муданьцзян развернулись с новой силой. Ломая сопротивление противника, советские бойцы продвигались к городу. Наиболее тяжелая обстановка сложилась в частях 26-го стрелкового корпуса, который вел бои в самом городе. Японцы неоднократно переходили в контратаки. Сотни смертников охотились за советскими офицерами и генералами, уничтожали танки и автомобили. Под натиском превосходящих сил противника передовые части корпуса были вынуждены покинуть город и отойти на 8—10 км на северо-восток.

Войска левого крыла фронта (25-я армия) успешно развивали наступление на Ванцин, а частью сил 12 августа овладели северокорейским портом Расин.

За 6 дней непрерывных боев части и соединения 1-го Дальневосточного фронта прорвали долговременную оборону японцев, продвинулись в глубь Маньчжурии на 100 км и завязали бои за Муданьцзян. Одновременно были созданы благоприятные условия для наступления на юг, в Корею, и для изоляции японских сил в Маньчжурии от войск в Корее.

17 августа части 35-й армии овладели городом Боли, где взяли в плен до двух тысяч японских солдат и офицеров.

Успешно развивалось наступление и на главном направлении. Группировка противника в Муданьцзяне оказалась полуокруженной. 1-я армия подошла к городу с севера, а части 5-й армии — с востока. Советские войска начали новую подготовку к штурму города. Командование 26-го стрелкового корпуса решило нанести удар по противнику с двух направлений. 22-я стрелковая дивизия, форсировав реку Муданьцзян в 10–12 км севернее города, должна была овладеть северо-западной его частью; 300-я стрелковая дивизия с 257-й танковой бригадой — восточной и юго-восточной частями.

В 12 часов 15 августа из района севернее Муданьцзяна перешла в наступление 300-я стрелковая дивизия и в результате ожесточенного боя улучшила свои позиции. В 19 часов 22-я стрелковая дивизия на подручных средствах приступила к форсированию реки. К утру 16 августа войска сосредоточились на левом берегу и были готовы нанести удар по городу с севера. В 7 часов утра 16 августа корпус возобновил наступление. Пехота противника, опираясь на поддержку артиллерии и укрепления полевого типа, оказала упорное сопротивление. Однако, благодаря абсолютному превосходству в силах, советские войска прорвали японскую оборону.

300-я стрелковая дивизия с 257-й и 77-й танковыми бригадами (последняя подошла сюда в ходе боя 15 августа) овладели станцией Эхо, расположенной в 5 км восточнее Муданьцзяна, вышли к реке и приступили к ее форсированию.

Тем временем 22-я стрелковая дивизия, сломив сопротивление противника, ворвалась в город с северо-запада. Боясь окружения, японцы стали отходить. Этим воспользовались части 300-й дивизии, которые на плотах и рыбачьих лодках переправились через реку Муданьцзян и ворвались в город с востока.

В результате действий 26-го стрелкового корпуса был взят город Муданьцзян — крупный промышленный центр, узел дорог и опорный пункт, прикрывавший выход в центральные районы Северо-восточного Китая. Здесь были разгромлены основные силы 5-й японской армии. Позже об этом рассказал ее бывший командующий генерал-лейтенант Симидзу Норицунэ: «Мы не ожидали, что русская армия пройдет через тайгу, и наступление русских внушительных сил со стороны труднодоступных районов оказалось для нас совершенно неожиданным. Потери 5-й армии составили более 40 тысяч, то есть около 2/3 ее состава. Оказывать дальнейшее сопротивление армия не могла. Как бы мы ни укрепляли Муданьцзян, отстоять его не представлялось возможным».