В отличие от Белоруссии советские войска не имели в Прибалтике значительного численного перевеса. Тем не менее особенность расположения здесь немецких частей, прижатых к протянувшейся на многие сотни километров линии морского побережья, давала советскому командованию возможность действовать методом рассечения группы армий «Север» для ускорения ее выдавливания с занимаемой территории.

Вначале советские войска нанесли главный удар по Риге, чтобы рассечь германскую группировку в Прибалтике надвое и отрезать ее северной части пути к отступлению на запад. Еще в ходе проведения Белорусской операции советские войска в течение июля — августа 1944 года неоднократно пытались пробиться к морю на шауляйско-рижском направлении. 1 августа они вышли к Рижскому заливу, выполнив важнейшую стратегическую задачу — отрезать путь отхода части группы армий «Север» в Восточную Пруссию. Однако немцы нанесли контрудар и отбросили советские войска от побережья, восстановив связь с Восточной Пруссией.

На подступах к Риге немцы создали мощный укрепленный рубеж «Сигулда», эшелонированный в глубину более чем на 40 км. Для прорыва этого рубежа советское командование создало в сентябре ударную группировку из двух армий (43-й и 4-й), которая нанесла на узком участке (шириной 50 км) сокрушительный удар по Риге с юга. В ходе яростных боев 14–17 сентября советские войска сумели пробить бреши в неприступной обороне и продвинуться вперед до 50 км. Но немцы, бросив в бой все резервы, рядом сильных контрударов сумели к 23 сентября оттеснить наступавших на исходные позиции.

Натиск на Ригу ускорил вывод немецких войск из Эстонии через «рижский коридор». Стремительное изгнание немцев из Эстонии, которое произошло буквально за 10 дней (с 17 по 27 сентября), оказало должное воздействие на власти Финляндии. 19 сентября она вышла из войны.

Сдача Эстонии позволила немцам практически вдвое сократить линию обороны и добиться ее высокой плотности (до 17 дивизий на 100 км фронта). Особенно много войск скопилось в районе Риги. Здесь сосредоточилось 33 дивизии, из них — 4 танковые. Такая невиданная концентрация войск на ограниченном рижском пятачке привела к резкому изменению здесь баланса сил в пользу немецкой армии. В целом первый этап Прибалтийской операции, несмотря на большие усилия и потери, не привел к достижению главной стратегической задачи — отрезать группу армий «Север» от Восточной Пруссии.

Исходя из сложившейся обстановки советское командование оставило до поры рижское направление и решило нанести главный удар южнее, в Литве. Сюда были переброшены основные силы 1-го Прибалтийского фронта. 5 октября они перешли в наступление, стремясь выйти в район Мемеля (Клайпеды) и отрезать группе армий «Север» пути отхода в Восточную Пруссию. Этот удар застал немцев врасплох, что позволило уже в первый день прорвать немецкую оборону в районе Шауляя. В прорыв были введены танковые соединения, и уже через пять дней советские войска вышли к Балтийскому морю севернее и южнее Мемеля.

В результате войска группы армий «Север» в районе Риги и на полуострове Курляндия оказались отрезанными от основных сил. Здесь оказались блокированными около 33 дивизий (18-я и 16-я армии), или более половины сил группы армий «Север», которые отныне потеряли в целом стратегическое значение для германских вооруженных сил.

Тем временем 6 октября начался новый штурм Риги. В обстановке деморализации немецкой армии ее неожиданным отсечением от Германии войска 2-го и 3-го Прибалтийского фронтов усилили натиск на рижском направлении. 12 октября завязались бои на подступах к городу, который был взят 13 октября. Остатки рижского гарнизона отступили на полуостров Курляндия. Предпринятые в конце октября попытки наступления против окруженной группировки не увенчались успехом из-за ее упорного сопротивления. Советский натиск в Курляндии был остановлен на линии Тукум — Лиепая. Курляндская группировка немцев продержалась до капитуляции Германии, сумев эвакуировать часть своих сил морем. После 9 мая 1945 года на полуострове сдалось в плен 200 тыс. человек.

Спустя три дня после взятия Риги в наступление на гумбинненско-гольдапском направлении (Восточная Пруссия) перешел 16 октября 3-й Белорусский фронт, который провел Гольдапскую операцию (16–30 октября 1944 г.). За две недели ожесточенных боев его войска пытались фронтальным натиском протаранить восточнопрусский анклав по линии Инстербург — Кенигсберг. Но им удалось продвинуться лишь на 60 км до рубежа Гольдап — Гумбиннен. Здесь они были остановлены жесткими контратаками 4-й немецкой армии (генерал Госсбах). Некоторые прорвавшиеся вперед части были отрезаны фланговыми контрударами и уничтожены. Потеряв около 80 тыс. чел. и не сумев прорвать германский фронт в Восточной Пруссии, советские войска перешли на данном участке к обороне.

Завершающая часть Прибалтийской операции была связана с окончательным освобождением Моонзундского архипелага, где основные бои развернулись за полуостров Сырве (юго-западная оконечность острова Саарема). Здесь немцы создали прочную оборону. Бои за Сырве затянулись до 24 ноября, когда полуостров был наконец взят после недельного штурма. После завершения Прибалтийской операции Балтийский флот вновь получил контроль над Финским и Рижским заливами. Потери Красной Армии в Прибалтийской операции составили 280 тыс. человек.

Одновременно с Прибалтийской операцией в Заполярье с целью освобождения северной части Кольского полуострова 7–29 октября 1944 года была проведена Петсамо-Киркенесская операция. В ней участвовали войска Карельского фронта (генерал К. А. Мерецков) во взаимодействии с силами Северного флота (адмирал А. Г. Головко). Численность советской группировки составила 97 тыс. человек. Она имела: 126 танков и САУ, 2,1 тыс. орудий, около 1000 самолетов. Ей противостояли части 19-го горнострелкового корпуса из 20-й немецкой горной армии под командованием генерала Л. Рендулича. Они имели в своем составе 53 тыс. чел., свыше 750 орудий и 160 самолетов.

Наступая в суровых условиях Заполярья, советские войска в течение трех дней прорвали немецкую оборону с долговременными сооружениями до 16 км в глубину. Важную роль в прорыве сыграл фланговый маневр 126-го и 127-го стрелковых корпусов, которые по труднопроходимой местности обошли правое крыло немецких войск и создали угрозу их окружения. Операция сопровождалась активной высадкой десантов морской пехоты, которые овладели портами Петсамо и Лиинахамари.

В целом за три недели наступления советские войска продвинулись вперед на 150 км, освободив не только советскую территорию, но и северные районы Норвегии с городом Киркенесом. В результате этой операции Германия полностью лишилась поставок никелевой руды из данного района.

Потери Красной Армии в Петсамо-Киркенесской операции составили свыше 21 тыс. человек. Из них 3436 чел. погибло за освобождение Норвегии. Урон боевой техники составил 21 танк, 40 орудий и минометов, 62 самолета. Среди советских стратегических операций Великой Отечественной войны Петсамо-Киркенесская отличалась наиболее низкими потерями людей и техники. Немцы потеряли около 30 тыс. чел. убитыми, 156 кораблей и судов, 125 самолетов. За проведение этой операции Мерецков получил звание маршала.