К утру 20 сентября румынское командование организовало оборону по берегу канала силами около двух расчетных дивизий при поддержке 160 зенитных орудий крупного и среднего калибра. Напуганные эффективными действиями наших десантников, румыны заранее взорвали все мосты через канал. Попытка передового отряда 47-й дивизии, предпринятая в середине дня, сходу форсировать канал была отбита. К утру следующего дня к каналу вышли все дивизии корпуса Лелюшенко и начали проводить разведку боем на фронте шириной 25 км, нащупывая слабые места в обороне. В течение дня к каналу вышли все дивизии корпуса Батова. Румынское командование нарастило свои силы до трех дивизий. На полевые площадки и захваченные стационарные аэродромы у Хыршова и у Михаил-Когилничану садились штурмовые, бомбардировочные и истребительные части — всего 8 авиаполков.
В ночь на 21 сентября дальняя авиация нанесла массированный удар по порту Констанцы всеми силами — всего около 600 самолетов. Целеуказание, как обычно, осветительными и зажигательными бомбами обеспечивали полки легких ночных бомбардировщиков. Порт был превращен в море огня. Было сброшено 860 тонн зажигательных и фугасных бомб. Загорелись нефтеналивные терминалы и суда в порту. Перед рассветом на равнину между предместьями Констанцы Овидиу и Палазул-маре был десантирован 1-й воздушно-десантный корпус, уже отдохнувший после штурма мостов на Серете. Одновременно по порту и по прибрежной полосе севернее порта нанесли удар фронтовые бомбардировщики. С моря город и порт обстреляли корабли Черноморского флота. В операции участвовали практически все боеспособные корабли.
Эскадра в составе линкора «Парижская коммуна», крейсеров «Красный Крым», «Красный Кавказ» и девяти эсминцев обстреливала порт, имея задачу предотвратить выход из порта сил румынского флота. Отряд легких сил в составе крейсеров «Ворошилов», «Молотов» и пяти эсминцев вел обстрел побережья севернее порта и обеспечивал высадку морского десанта. На рассвете дивизионы тральщиков, торпедных катеров и малых морских охотников в количестве 76 единиц высадили бригаду морской пехоты на участок побережья между озером Сютгел и городом.
Морские пехотинцы атаковали от побережья на запад, перерезая автомагистрали, ведущие из города на север, обеспечивая тем самым с тыла действия 1-го вдк. Бригады воздушного десанта, сгруппировавшись, атаковали с тыла румынские части, оборонявшиеся по каналу западнее озера Сютгел, прорвались к каналу в полосе шириной 3 км и обеспечили работу понтонно-мостовых батальонов, которые к 13 часам навели 3 понтонных моста через канал. По мостам сразу же начали переправляться танковые полки корпуса Лелюшенко. В 15 часов танкисты ворвались в город, подавляя разрозненное и плохо организованное сопротивление. В 18 часов танкисты вошли в порт. Два уцелевших румынских эсминца и несколько катеров, попытавшихся прорваться из порта в море были потоплены кораблями Черноморского флота. Уйти удалось лишь одной подводной лодке.
К концу дня весь город был захвачен танкистами и мотострелками 30-го корпуса. Западнее города судоходный канал разделялся на северную и южную ветви, выходившие к морю севернее и южнее города. Вся территория между ветвями канала тоже была очищена от противника. Было взято в плен 26 тысяч румынских солдат и офицеров. Захвачены большие трофеи — вооружение и грузы в порту.
22-го и 23-го сентября корпуса Лелюшенко и Батова очищали от противника территорию между побережьем моря и Дунаем на участке от канала до Хыршовы. Разрозненные и деморализованные гарнизоны населенных пунктов и отдельные подразделения практически не оказывали сопротивления. Было взято еще 11 тысяч пленных.
В результате операции участок румынской территории размером 60 км на 90 км между низовьем Дуная и Черным морем оказался отрезан от остальной территории страны. В окружение попали 2-ой румынский армейский корпус в полном составе и бригада охраны побережья. 24–28 сентября соединения Южного фронта проводили перегруппировку. Штурм Плоешти был прекращен. Стрелковые корпуса сменяли танковые и мотострелковые дивизии на фронте по рекам Теленяж, Яломица, Дунай и по Дунайскому каналу. Понесшие большие потери соединения 1-ой ударной армии были отведены в тыл на пополнение.
С 29-го сентября по 3-е октября подвижные корпуса 2-ой ударной армии при поддержке 23-го мотострелкового корпуса разгромили соединения 2-го румынского корпуса и части охраны побережья в низовьях Дуная. В плен было взято 45 тысяч румынских военнослужащих.