При такой позиции ставки не было ничего удивительного и в отклонении запроса командования группы армий относительно перенесения немецкой обороны еще до начала русского наступления на рубеж устье Дуная, Браила, Галац, Фокшаны, восточное предгорье Карпат; командование группы армий полагало, что занимаемую оборону, учитывая ненадежность румынских войск, собственными силами удержать не удастся.
Русскому командованию нетрудно было опрокинуть этот оборонявшийся недостаточными силами, непрочный в своей основе и имевший невыгодное с оперативной точки зрения начертание немецко-румынский фронт. Оно решило осуществить наступление по сходящимся направлениям, использовав для этой цели войска двух фронтов в составе 7 танковых корпусов и 90 стрелковых дивизий, 3-й Украинский фронт Толбухина получил задачу ударом с обоих плацдармов прорвать оборону 6-й армии, а затем во взаимодействии с 2-м Украинским фронтом Малиновского, который должен был наносить удар с севера через Яссы, окружить находившиеся в районе Кишинева немецко-румынские соединения.
20 августа войска обоих фронтов при поддержке крупных сил авиации после сильнейшей, длившейся 2,5 часа артиллерийской подготовки перешли в наступление. В течение трех дней немецким дивизиям удавалось сдерживать натиск противника, затем немногочисленные резервы были израсходованы и фронт у Ясс и на Днестре был прорван. Почти повсеместно, где наступавшие русские войска наталкивались на румынские части, последние немедленно прекращали борьбу. 22 августа были оставлены Яссы. Крупные танковые и механизированные силы 2-го Украинского фронта неудержимо продвигались по обоим берегам Прута на юг. Когда они 25 августа вышли на рубеж Васлуй, Хуши, а наступавшие с востока войска 3-го Украинского фронта продвинулись через Тирасполь до Леово на реке Прут, немецкие дивизии, которые не смогли достаточно быстро выйти из района Тирасполь, Кишинев и района Ясс, оказались окруженными.
Тем временем правительство Антонеску 24 августа было свергнуто в результате государственного переворота, последовавшего после того, как король Михай в произнесенной накануне по радио речи открыл румынскому народу, что Румыния приняла выдвинутые ее бывшими врагами условия перемирия. В заключение своей речи король призвал румынский народ «бороться с врагами нации», пообещав в то же время немецким войскам, что против них ничего не будет предпринято, пока они будут находиться на румынской земле. Лишь совершенный по приказу Гитлера воздушный налет на Бухарест дал румынам основание повернуть оружие против немцев. Фронт смешался, все превратилось в хаос. Повсюду, где оборону держали румынские войска, фронт открывался, и русские могли свободно продвигаться даже на не атаковавшихся ими до тех пор участках фронта. Как огромные морские волны катились войска противника и захлестывали со всех сторон немецкие силы. Всякое централизованное руководство боевыми действиями прекратилось, тылы были отрезаны. Спешное создание промежуточных рубежей и прочие аналогичные меры, обеспечивавшие до сих пор даже при самых катастрофических осложнениях предпосылки для продолжения борьбы, оказались на сей раз возможными лишь в отдельных пунктах. Расчлененные на отдельные боевые группы немецкие войска вынуждены были пробиваться на запад, ведя ожесточенную борьбу за каждый участок реки между вбитыми клиньями противника. Части 8-й армии отошли к Карпатам; гораздо меньшим силам 6-й армии удалось пробиться через Серет между Браилой и Фокшанами. Вокруг нескольких немецких дивизий кольцо русских войск сузилось настолько, что им пришлось капитул ировать.
Государственный переворот в румынской столице был уже давно подготовлен с ведома короля. Еще в марте доверенные люди короля Михая установили через Каир связь с западными державами. С Советским Союзом внутрирумынская оппозиция поддерживала контакт при посредничестве жившего в эмиграции бывшего чехословацкого президента Бенеша. 2 апреля Молотов в речи по радио заверил румын, что Советский Союз, кроме возвращения Бессарабии, не имеет никаких территориальных претензий к Румынии и не намерен ничего изменять в ее социальной структуре. Все эти дипломатические события немцами не были поняты или достаточно правильно оценены. Немецкий посол и военная миссия были застигнуты переворотом врасплох и задержаны в Бухаресте. Предпринятая тотчас же после переворота попытка овладеть стратегически важными пунктами страны и особенно наступление, поддержанное ударом с воздуха по аэродрому Бэняса под Бухарестом, потерпели неудачу в результате сопротивления румын. Удалось отстоять лишь Плоештинский нефтяной район, использовав для отражения румынских атак имевшуюся там зенитную артиллерию и части аэродромного обслуживания.