Чтобы прикрыть подступы к Центральной Маньчжурии, японское командование сосредоточило основное внимание на удержании рубежа по рекам Мулинхэ и Муданьцзян, и особенно города Муданьцзян. Здесь оборонялись войска 5-й японской армии в составе 5 пехотных дивизий, усиленных артиллерией. Подступы к Муданьцзяну прикрывались многочисленными долговременными железобетонными сооружениями, насыщенными пулеметами и артиллерией.
На муданьцзянском направлении наступали войска ударной группировки фронта — 1-я Краснознаменная и 5-я армии. С воздуха их поддерживали соединения бомбардировочной и штурмовой авиации, которые наносили эффективные удары по узлам сопротивления противника, отступающим войскам и подходящим резервам. 59-й стрелковый корпус 1-й армии с 75-й танковой бригадой сломил упорное сопротивление японцев в районе станции Машаньчжань и овладел крупным узлом дорог — городом Линькоу, в результате чего Муданьцзян был отрезан с севера.
26-й стрелковый корпус с 257-й танковой бригадой, уничтожая отдельные группы японцев, передовым отрядом форсировал реку Муданьцзян и ворвался с севера в город Муданьцзян. Здесь начались ожесточенные бои, доходящие до рукопашных схваток. Одновременно войска 5-й армии прорвали сильно укрепленную оборонительную полосу противника, овладели городом Мулин и развили наступление на Муданьцзян с востока.
Понимая важное оперативно-стратегическое значение Муданьцзяна, японцы принимали все меры к тому, чтобы удержать город в своих руках и этим воспрепятствовать продвижению советских войск в Центральную Маньчжурию. Японское командование перегруппировало свои войска с целью усиления муданьцзянской группировки. В результате этого только в полосе 5-й армии действовало 10 артиллерийских и 11 минометных батарей. На подступах к городу японцы заблаговременно подготовили оборону. Бои за Муданьцзян приняли напряженный характер.
14 августа бои за Муданьцзян развернулись с новой силой. Ломая сопротивление противника, советские бойцы продвигались к городу. Наиболее тяжелая обстановка сложилась в частях 26-го стрелкового корпуса, который вел бои в самом городе. Японцы неоднократно переходили в контратаки. Сотни смертников охотились за советскими офицерами и генералами, уничтожали танки и автомобили. Под натиском превосходящих сил противника передовые части корпуса были вынуждены покинуть город и отойти на 8—10 км на северо-восток.
Войска левого крыла фронта (25-я армия) успешно развивали наступление на Ванцин, а частью сил 12 августа овладели северокорейским портом Расин.
За 6 дней непрерывных боев части и соединения 1-го Дальневосточного фронта прорвали долговременную оборону японцев, продвинулись в глубь Маньчжурии на 100 км и завязали бои за Муданьцзян. Одновременно были созданы благоприятные условия для наступления на юг, в Корею, и для изоляции японских сил в Маньчжурии от войск в Корее.
17 августа части 35-й армии овладели городом Боли, где взяли в плен до двух тысяч японских солдат и офицеров.
Успешно развивалось наступление и на главном направлении. Группировка противника в Муданьцзяне оказалась полуокруженной. 1-я армия подошла к городу с севера, а части 5-й армии — с востока. Советские войска начали новую подготовку к штурму города. Командование 26-го стрелкового корпуса решило нанести удар по противнику с двух направлений. 22-я стрелковая дивизия, форсировав реку Муданьцзян в 10–12 км севернее города, должна была овладеть северо-западной его частью; 300-я стрелковая дивизия с 257-й танковой бригадой — восточной и юго-восточной частями.
В 12 часов 15 августа из района севернее Муданьцзяна перешла в наступление 300-я стрелковая дивизия и в результате ожесточенного боя улучшила свои позиции. В 19 часов 22-я стрелковая дивизия на подручных средствах приступила к форсированию реки. К утру 16 августа войска сосредоточились на левом берегу и были готовы нанести удар по городу с севера. В 7 часов утра 16 августа корпус возобновил наступление. Пехота противника, опираясь на поддержку артиллерии и укрепления полевого типа, оказала упорное сопротивление. Однако, благодаря абсолютному превосходству в силах, советские войска прорвали японскую оборону.
300-я стрелковая дивизия с 257-й и 77-й танковыми бригадами (последняя подошла сюда в ходе боя 15 августа) овладели станцией Эхо, расположенной в 5 км восточнее Муданьцзяна, вышли к реке и приступили к ее форсированию.
Тем временем 22-я стрелковая дивизия, сломив сопротивление противника, ворвалась в город с северо-запада. Боясь окружения, японцы стали отходить. Этим воспользовались части 300-й дивизии, которые на плотах и рыбачьих лодках переправились через реку Муданьцзян и ворвались в город с востока.
В результате действий 26-го стрелкового корпуса был взят город Муданьцзян — крупный промышленный центр, узел дорог и опорный пункт, прикрывавший выход в центральные районы Северо-восточного Китая. Здесь были разгромлены основные силы 5-й японской армии. Позже об этом рассказал ее бывший командующий генерал-лейтенант Симидзу Норицунэ: «Мы не ожидали, что русская армия пройдет через тайгу, и наступление русских внушительных сил со стороны труднодоступных районов оказалось для нас совершенно неожиданным. Потери 5-й армии составили более 40 тысяч, то есть около 2/3 ее состава. Оказывать дальнейшее сопротивление армия не могла. Как бы мы ни укрепляли Муданьцзян, отстоять его не представлялось возможным».
Утром 16 августа перешли в наступления и войска советской 5-й армии. Они прорвали долговременную оборону восточнее Муданьцзяна, подошли к окраинам города и здесь были остановлены, так как в городе уже успешно действовали войска 1-й армии. 5-я армия получила приказ развить наступление на Гирин, а 1-я армия — на Харбин.
Войска 25-й армии, 16 августа освободив город Винцин, а 17 августа — город Тумынь, развивали наступление на северные районы Кореи. Одновременно часть сил наступала вдоль восточного побережья Северной Кореи на город Сейсин.
14 августа в Сейсине был высажен советский морской десант. 16 августа в город вступили подразделения 393-й стрелковой дивизии, входящей в состав 25-й армии.
18 августа передовой отряд 1-й армии из района Муданьцзяна двинулся на Харбин. 25-я армия и 10-й механизированный корпус развивали наступление на Гирин.
Стремясь ускорить капитуляцию Квантунской армии, советское командование решило высадить в наиболее крупных городах Северо-восточного Китая воздушные десанты. Как и в Харбине, эти десанты производились посадочным способом, а десантники представляли собой конвой высокопоставленных парламентеров.
19 августа в 12 часов дня на военном аэродроме Чанчуня сел самолет Си-47, эскортируемый девятью истребителями Як-9. На борту самолета находился уполномоченный командующего Забайкальским фронтом полковник И.Т. Артеменко в сопровождении пяти офицеров и шести рядовых. Вместе с Си-47 на аэродром сели три Як-9, а остальные улетели. Через некоторое время на аэродром прибыл заместитель начальника штаба Квантунской армии генерал Мацуока с группой офицеров. После нескольких часов переговоров Ямада согласился со всеми условиями и отдал приказ о разоружении 15-тысячного гарнизона Чанчуня.