9 и 10 августа части и подразделения ОГВ (С) Вооруженных Сил РФ вели боевые действия с целью вытеснения грузинских войск из Цхинвала, овладения господствующими над городом высотами, подавления артиллерийских батарей противника, развернутых в окрестностях Цхинвала, и предотвращения в дальнейшем обстрелов города грузинской артиллерией и авиацией. Боевые действия в этот период велись в основном силами батальонных тактических групп 429-го, 503-го, 693-го и 135-го мотострелковых полков 19-й мотострелковой дивизии, 71-го мотострелкового полка 42-й гвардейской мотострелковой дивизии 58-й армии, 76-й гвардейской десантно-штурмовой дивизии и 98-й гвардейской воздушно-десантной дивизии во взаимодействии с югоосетинскими вооруженными формированиями при поддержке ствольной и реактивной артиллерии 292-го самоходного артиллерийского полка и 1415-го отдельного реактивного дивизиона 19-й мотострелковой дивизии 58-й армии и авиации 4-й воздушной армии ВВС и ПВО и авиационных частей и соединений Центра. Одновременно происходило наращивание Объединенной группировки войск (сил) ВС РФ на территории Южной Осетии: был продолжен ввод соединений и частей 58-й армии, в том числе 136-й гвардейской отдельной мотострелковой бригады. Также в зону боевых действий были переброшены 45-й гвардейский отдельный разведывательный полк спецназа ВДВ, 10-я и 22-я отдельные бригады спецназа ГРУ ГШ.
Прикрытие войск объединенной группировки от нападений с воздуха возлагалось на 481-й зенитно-ракетный полк 19-й дивизии, вооруженный самоходными ЗРК «Оса-АКМ», и на 67-ю зенитно-ракетную бригаду 58-й армии, укомплектованную самоходными ЗРК «Бук-М1».
Помимо применения авиации, штабом ОГВ (С) на 9—10 августа были спланированы ракетные удары по отдельным целям на территории Грузии (силами дивизиона ОТРК «Искандер-М» и дивизиона ТРК «Точка-У»).
В целом численность группировки российских Вооруженных Сил в зоне конфликта — 12 тысяч человек — примерно соответствовала численности противостоящих грузинских войск.
Фронтовая и дальняя авиация ВВС РФ 9—10 августа подвергла бомбардировкам военные объекты, находившиеся вблизи населенных пунктов Сенаки, Поти, Хони, Копитнари, Они, Марнеули и Омаришара (последний находится в Кодорском ущелье).
Одновременно с началом боевых действий в зоне грузино-югоосетинского вооруженного конфликта обострилась и обстановка в зоне грузино-абхазского вооруженного конфликта. Связанное с Южной Осетией договором о военной помощи, абхазское правительство 9 августа отдало приказ своим войскам выдвинуться в зону ограничения вооружений в верхней части Кодорского ущелья. Здесь, однако, выдвигающиеся абхазские формирования были остановлены постами миротворцев СНГ. Абхазская артиллерия и авиация начали обстрел верхней части Кодорского ущелья. В этой обстановке было принято решение об усилении контингента миротворцев.
8 августа из базы Черноморского флота в Севастополе в зону конфликта вышел отряд военных кораблей ВМФ РФ в составе гвардейского ракетного крейсера «Москва», сторожевого корабля «Сметливый», малого ракетного корабля «Мираж», ракетного катера Р-109, малого противолодочного корабля МПК-199 «Касимов», большого десантного корабля «Цезарь Куников» и базового тральщика «Турбинист». На борту корабля «Цезарь Куников» находилось подразделение морской пехоты численностью не менее 100 человек с вооружением и техникой. Из Новороссийска вышел и 10 августа присоединился к указанному отряду кораблей большой десантный корабль «Саратов» с личным составом и техникой усиленной батальонной тактической группы 7-й гвардейской десантно-штурмовой дивизии. 10 августа эти подразделения были высажены с десантных кораблей на берег в районе г. Очамчира. Одновременно на сухумский аэродром «Бабушара» посадочным способом были высажены еще четыре усиленные батальонные тактические группы 76-й гвардейской десантно-штурмовой дивизии и 31-й гвардейской отдельной десантно-штурмовой бригады. Железнодорожным транспортом на территорию Абхазии были переброшены части 20-й мотострелковой дивизии. В общей сложности дополнительная группировка российских войск в Абхазии насчитывала более 9 тысяч человек и свыше 350 единиц техники.
В 18.45 10 августа российские военные корабли были атакованы пятью грузинскими ракетными катерами, один из которых («Тбилиси») был поражен двумя ПКР, запущенными с МРК «Мираж». Около 19.00 МРК «Мираж» произвел пуск ЗУР по еще одному катеру, который получил повреждения. После этого грузинские катера атаку прекратили и вернулись в свою базу. По другим данным, «Тбилиси» был уничтожен не в ходе морского боя, а позднее, подразделением российских воздушно-десантных войск, в своей базе Поти вместе с другими грузинскими военными кораблями.
10 августа, примерно в это же время, грузинские власти дали согласие на ввод дополнительных сил миротворцев на территорию Зугдидского района Грузии.
В течение 11 августа части и подразделения ОГВ (С) Вооруженных Сил РФ выполняли задачи по нанесению поражения грузинским войскам на территории Южной Осетии и к исходу дня установили полный контроль над городами Цхинвал и Знаури и их окрестностями. Российская военная авиация 11 августа продолжала выполнение задач по поражению наземных целей как в тактической глубине грузинской обороны, так и по целям на территории Грузии, в районе населенных пунктов Поти, Хони, Сенаки, Зугдиди, Коджори, Вазиани, Кутаиси, Гори, Шавшеби, Карели, Мцхета, Болниси, Марнеули, Сачхере, а также по целям в окрестностях Тбилиси.
Поздним вечером 11 августа среди личного состава грузинских войск, находившихся в районе Гори, стал распространяться слух о наступлении российских войск в направлении города. Этот слух не подтвердился, однако он спровоцировал стихийное неорганизованное бегство грузинских военнослужащих из окрестностей Гори. В ходе беспорядочного отхода в самом городе и вдоль шоссе Гори — Тбилиси было брошено значительное количество тяжелого вооружения и военной техники. При этом управление грузинскими войсками было полностью потеряно. Глубокой ночью с 11 на 12 августа остатки горийской группировки грузинских войск без тяжелого вооружения сосредоточились в районе населенного пункта Мцхета в 15 км от Тбилиси. После этого организованное сопротивление грузинских войск в зоне грузино-югоосетинского вооруженного конфликта прекратилось.
11 августа официальный представитель МИД РФ Борис Малахов сообщил, что, по уточненным данным, в зоне конфликта погибли примерно 1600 мирных граждан. Представители международной правозащитной организации Human Rights Watch во Владикавказе поставили под сомнение заявления осетинских властей о числе погибших. По словам представителя организации Татьяны Локшиной, данные об огромном числе убитых не подтверждаются фиксируемым количеством раненых. Вместе с тем представитель организации 14 августа сказала: «Но мы общались и с жителями, которые хоронили убитых во дворах, огородах… С учетом этого цифры, названные нам врачами, — 273 раненых и 44 убитых, — не являются исчерпывающими» Также в этой связи необходимо отметить, что единственная больница Цхинвала была разрушена 8 августа грузинскими войсками. Шквальный огонь грузинских войск по больнице сильно ограничивал возможность подвозить туда раненых.
Однако, по мнению правозащитника, директора Московского бюро по правам человека Александра Брода, Human Rights Watch значительно занижает цифры погибших. По его словам, некоторые зарубежные организации умалчивают о жертвах и разрушениях в Южной Осетии.
12 августа части и подразделения ОГВ (С) при поддержке фронтовой и армейской авиации перешли административную границу Республики Южная Осетия с Грузией и установили контроль над соседними районами Грузии.
С утра этого же дня абхазские вооруженные формирования начали боевые действия против подразделений МВД Грузии, находящихся в верхней части Кодорского ущелья. В результате к полудню 12 августа подразделения грузинского МВД были разоружены и покинули Кодорское ущелье. Одновременно в Зугдидский район Грузии был осуществлен ввод дополнительного контингента КСПМ, решение о котором было принято вечером 10 августа.
