По замыслу командования Забайкальского фронта советские и монгольские войска должны были нанести главный удар в центре силами 6-й гвардейской танковой армии, 17, 39 и 53-й армий из Тамцаг-Булакского выступа территории Монголии в обход Халун-Аршанского укрепрайона в направлении на Чанчунь, преодолеть хребет Большой Хинган и глубоко охватить с юга главные силы Квантунской армии, выйдя на рубеж Дабаныпань – Лубэй – Солунь общевойсковыми соединениями на пятнадцатый день операции, а соединениями 6-й танковой армии – на пятый. В дальнейшем главными силами фронта предусматривались выход на рубеж Чифын – Мукден – Чанчунь – Чжаланьтунь и окружение совместно с 1-м Дальневосточным фронтом основных сил Квантунской армии. Вспомогательные удары намечались: на правом крыле – конномеханизированной группой с территории Монголии на Долунь (Долоннор) и Чжанцзякоу (Калган), на левом крыле – 36-й армией из Даурии на Хай л ар. Подвижным войскам фронта ставились задачи: 6-й гвардейской танковой армии – с хода преодолеть Большой Хинган, закрепить за собой перевалы, спуститься на равнину в районах Лубэй, Туцюань, в последующем действиями в направлении Чанчунь, Мукден расчленить главные силы Квантунской армии; конно-механизированной группе – стремительно пересечь пустынные степи и выйти к Ляодунскому заливу, отрезав Квантунскую армию от Северного Китая.
В 0 часов 10 минут по дальневосточному времени 9 августа передовые отряды войск Забайкальского фронта перешли границу и развернули стремительное наступление по всему фронту. На рассвете, в 4 часа 30 минут, вперёд двинулись главные силы. Наиболее упорное сопротивление они встретили на своём левом крыле, где японское командование ожидало главного удара советских войск. Опираясь на Маньчжуро-Чжалайнорский, Халун-Аршанский и Хайларский укрепрайоны и заранее подготовив позиции на горных перевалах, японское командование рассчитывало сдержать натиск наступающих советских войск и, вынудив их вести планомерное «прогрызание» укреплённых районов, втянуть в изнурительные бои в приграничной зоне. Однако эти расчёты были биты. В первый же день операции воины-забайкальцы уничтожили гарнизоны противника в приграничной полосе и на главном направлении вышли на подступы к Большому Хингану.
Не задерживаясь для подавления блокированных очагов сопротивления, основные силы левого крыла Забайкальского фронта развивали стремительное наступление в глубь Маньчжурии и 11 августа передовыми отрядами достигли западных склонов Большого Хингана. 12 августа 6-я гвардейская танковая армия неожиданно для японцев преодолела Большой Хинган и спустилась на Центральную Маньчжурскую равнину в районах Туцюань и Лубэй, выполнив ближайшую задачу на сутки раньше намеченного срока. 14–15 августа передовые отряды подвижных соединений после непродолжительного боя заняли Ванъемяо, Таоань и Таонань, отрезав 4-ю отдельную японскую армию от главных сил. 18–19 августа советские танки вышли к Шэньяну и Чанчуню, отрезав уже главным силам Квантунской армии пути отхода к Жёлтому морю. 39-я армия, нанеся значительный урон японской 107-й пехотной дивизии и кавалерийским частям, прикрывавшим перевалы через Большой Хинган, 12 августа штурмом взяла Солунь (причём в бою за город было истреблено более 1 тыс. солдат и офицеров противника), к исходу 14 августа продвинулась до 400 км, а её 124-я стрелковая дивизия, усиленная артиллерией и танками, овладела блокированным ещё в первый день операции Халун-Аршанским укрепрайоном. Между левым флангом 17-й армии и правым флангом 39-й армии образовался 400-километровый разрыв, в который 16 августа была введена из второго эшелона фронта 53-я армия с задачей выйти в район Кайлу.
36-я армия, форсировав 9 августа р. Аргунь, встретила упорное сопротивление противника, но при активной поддержке бомбардировочной и штурмовой авиации 11–12 августа овладела взятыми в блокадное кольцо Чжалайнор-Маньчжурским укрепрайоном, железнодорожными узлами Маньчжурия и Чжалайнор. Ещё раньше, 10 августа, главными силами армия вышла к г. Хайлар, заняла его, отразив все попытки японских войск контратаками вернуть город, и в ночь на 11 августа начала блокаду и штурм Хайларского укрепрайона, занятого гарнизоном из состава войск 119-й пехотной дивизии и смешанной бригады. Это был крепкий орешек: три узла сопротивления и несколько опорных пунктов, включавших в себя 116 дотов со стенами 3-4-метровой толщины, 20 дзотов, 67 бронеколпаков, развитую систему траншей, бетонированных подземных ходов сообщения и различных инженерных заграждений. Здесь, на рубеже Хэйхэ – р. Аргунь – Хайлар, войска 4-й японской армии попытались остановить продвижение советских войск. Упорные бои завязались близ Учагоу (250 км к северо-западу от Таонани). Части японской 2-й воздушной армии предпринимали неоднократные настойчивые попытки бомбить советские танковые колонны.