Проведение операции планировалось в три этапа, каждый по 15–30 суток. Операцию намечалось начать ориентировочно 1–5 августа 1943 года внезапным нанесением первого стратегического массированного удара, подорвав одновременно 26 000 рельсов. В первые 15 суток должны были быть разрушены основные железнодорожные коммуникации в тылу группы армий «Центр». В дальнейшем предполагалось нанести несколько других массированных ударов и, парализовав движение на остальных железнодорожных коммуникациях, в последующем перейти к систематическим диверсионным действиям по воспрещению работы железнодорожных коммуникаций в тылу противника. Создаваемая для проведения операции группировка партизанских сил включала 167 партизанских бригад, отдельных отрядов и групп общей численностью 95 615 человек, развернутых на территории протяженностью свыше 1000 км по фронту и в глубину от линии фронта до западной границы СССР, что говорило о стратегическом масштабе и специальном характере группировки. Имевшаяся в тылу противника партизанская группировка была уже настолько мощной, что партизанские формирования располагались вблизи большинства важнейших железнодорожных коммуникаций. Поэтому передислокация партизанских формирований при необходимости осуществлялась на расстояние 70–80 км и лишь иногда – более 100 км.
Для выполнения задач по подрыву рельсов и других объектов на железных дорогах в тыл к партизанам необходимо было дополнительно доставить 200–250 тонн взрывчатых веществ. Основная трудность при подготовке операции заключалась в необходимости выделения летного ресурса транспортных самолетов «Ли-2» или «Си-47» для доставки необходимых грузов.
Так, переброска в тыл противника взрывчатых веществ и других средств потребовала 400 самолетовылетов в течение июля-августа, в том числе 180 самолетовылетов в течение 5–6 дней, начиная с 12 июля для подготовки к первому диверсионному удару. Существенная зависимость успеха операции от действий авиации подтвердила значительное влияние данного фактора на масштаб и содержание диверсионных и других специальных действий в тылу противника. Необходимость переброски для партизан в тыл противника многих сотен тонн грузов потребовала централизованного и систематического применения авиационных соединений и частей. К середине 1943 года в интересах партизан действовали две авиатранспортные дивизии, двенадцать отдельных авиаполков, несколько полков авиации дальнего действия, эскадрильи фронтовой и армейской авиации и авиации воздушно-десантных войск. Всего за годы войны к партизанам было совершено 109 тысяч самолетовылетов, 96 % полетов было совершено ночью. Использование авиации в интересах партизан выявило ряд существенных требований и особенностей боевого применения авиационных сил и средств.
Операция «Рельсовая война» началась в ночь на 3 августа 1943 года (орловские партизаны по плану Ставки ВГК нанесли первый удар несколько раньше – 22 июля). Результаты первого удара и дальнейших диверсионных действий в течение августа оказали значительное влияние на работу железных дорог, однако полностью парализовать движение не удалось. В журнале военных действий ставки верховного командования вермахта после первого массированного удара отмечается: «4 августа. Восток. Движение по железным дорогам на Востоке часто прекращается из-за подрыва рельсов (в районе группы армий „Центр“ 3 августа произошло 75 больших аварий и 1800 взрывов). Движение поездов в районе группы армий „Центр“ прекращено с 4 августа на 48 часов».
прием груженых поездов (из Германии) – 65
отправление груженых поездов (в Германию) – 84
прием порожняка – 82
возврат порожняка – 54
прием пассажирских поездов – 87
отправление пассажирских поездов – 72
Всего с 20 июля по 16 сентября 1943 года, по данным оперативного отдела ЦШПД, в ходе операции «Рельсовая война» было выведено из строя 214 705 штук рельсов, что составляло 4,3 % всех рельсов на эксплуатируемых участках железных дорог. По итогам прошедшей операции руководством ЦШПД были сделаны некоторые выводы, и в ходе следующей операции на железнодорожных коммуникациях «Концерт», продолжавшейся с 20 сентября по 30 ноября 1943 года, диверсионные действия партизан в большей степени были нацелены на вывод из строя подвижного железнодорожного состава противника. Одновременно в течение сентября – ноября 1943 года по плану ЦШПД проводилась специальная операция «Пустыня» по разрушению системы водоснабжения на железнодорожных коммуникациях. В результате операции было выведено из строя 43 водокачки. Однако значительное снижение боевых возможностей по совершению диверсий из-за недостатка минно-взрывных средств не позволило партизанским формированиям парализовать работу железнодорожных коммуникаций противника.
Специальной задачей, выполняемой партизанами в интересах содействия своей авиации в завоевании и сохранении господства в воздухе, стало совершение налетов на аэродромы противника. В ходе налетов выводились из строя сами самолеты, склады с горючим, боеприпасами и другим имуществом. Летный и летно-технический состав уничтожался также в засадах, устраиваемых на путях движения к аэродрому. Многие самолеты уничтожались также при совершении вынужденных посадок на территориях, контролируемых партизанами. С другой стороны, в результате поисково-спасательных действий партизанских формирований были спасены многие советские экипажи, сбитые над оккупированной территорией. Таким образом, боевой опыт показал необходимость специальных авиационных средств для всестороннего обеспечения действий партизан, в том числе для решения задач огневой поддержки в их борьбе с карателями.
С октября 1943 года воздействие партизан на объекты железнодорожного транспорта резко и неуклонно снижается и в феврале 1944 по основным показателям возвращается на уровень февраля 1943 года. Тыловое и техническое обеспечение немецких войск хотя и встречается со значительными трудностями, но в основном выполняет требования снабжения войск всем необходимым для ведения военных действий. Стратегическое отступление немцев, в отличие от отступления французов в 1812 году, не превратилось для немецкой армии в катастрофу. С началом 1944 года снабжение немецкой армии на оставшейся оккупированной территории Советского Союза постепенно вновь возвращается к автомобильному транспорту. Накопленный к тому времени немцами опыт борьбы с партизанами, усиленная охрана колонн, жесткий пропускной режим на дорогах и на прилегающей к ним местности в основном позволил немецкому командованию проводить достаточное тыловое и техническое обеспечение войск на фронте с использованием автомобильного транспорта. Всего за три года войны партизаны на дорогах в тылу противника уничтожили и захватили 52 958 грузовых, легковых и специальных автомашин, что составило около 10 % общей численности автомобильного парка вермахта, или около 3–4 % в год. Подобные потери не могли вызвать существенного сокращения норм снабжения немецких войск.
В январе 1944 года ЦШПД был расформирован, и дальнейшее руководство партизанским действиями осуществляли республиканские и областные штабы партизанского движения, действовавшие во взаимодействии со штабами соответствующих фронтов в основном в оперативном масштабе.
Стратегическое значение имела операция белорусских партизан, подготовленная и проведенная в тесном взаимодействии с войсками 1-го, 2-го, 3-го Белорусских и 1-го Прибалтийского фронтов в июне-июле 1944 г. К этому времени группировка партизанских сил на территории Белоруссии включала 150 партизанских бригад и 49 партизанских отрядов общей численностью 272 490 партизан. Операция тщательно готовилась. В ходе ее подготовки только авиацией 1-го Белорусского фронта в партизанские формирования было переброшено 128 тонн взрывчатых веществ. Операция началась в ночь на 20 июня нанесением массированного диверсионного удара по железнодорожным коммуникациям и линиям связи противника, в результате которого движение по железным дорогам было полностью парализовано до 23 июня. Операция была высоко оценена Маршалом Советского Союза Г. К. Жуковым, координировавшим в то время действия фронтов.