1945年8月6日，美国空军在日本广岛投下了令世人震惊的第一颗原子弹。8月8日下午5时，莫洛托夫向日本驻莫斯科大使佐藤宣布，8月9日苏联与日本处于战争状态。佐藤回到大使馆时，已过了东京时间11时30分，距次日零时苏军发动进攻只有20几分钟了。而大使馆的电话线已被破坏，所以苏联红军向日本关东军发动进攻时，日本国内并没得到任何消息。几乎同时，苏联远东部队在中国东北边境分3个方面军全线出击，展开对日作战。远东苏军总司令是华西列夫斯基元帅，他参加过第一次世界大战，曾两次荣获苏联英雄称号。

1945年5月德国投降以后，苏联从9000公里至12000公里外的欧洲战场，迅速向远东地区和后贝加尔运送了136000节车皮的部队和作战物资。在远东共集结了11个合成集团军、两个战役集群、1个坦克集团军、3个航空军集团和3个防空军集团、4个独立航空兵军，总兵力为1577700人，有26137门火炮、5556辆坦克、3446架飞机，此外还拥有太平洋舰队和阿穆尔地区舰队。苏联利用西伯利亚铁路把兵员、装备和其他作战物资输送到远东，日本未能及时发现，而且日本政府那时候还想通过苏联政府向盟国求和，对与苏军作战缺乏心理准备。

日本关东军本来是日军的精锐部队，专门用来防备苏联。但随着太平洋战争的不利，日本不断将关东军中的精锐部队抽调到南方战线，使得关东军的战斗力大为下降。据东京审判时关东军参谋长笠原幸雄的证词，到1944年底，由于精锐师团调往前线或防卫日本本土而由一些战斗力弱、装备差的后备师团接替，关东军已没有一个受过高度训练的师团，坦克和飞机很少，军火和燃料储存也很有限。经过一周的交战，日本关东军受到了致命的打击。在很快结束的战斗中，苏联俘虏日军59.4万人，击毙8.3万人，而苏军阵亡则仅仅8219人。由于8月15日天皇宣读了投降诏书，关东军在16日午夜接到正式停战命令之前，已经决定“谨依圣旨，立即停战”。17日下午5时，关东军司令山田乙三致电苏联远东军司令华西列夫斯基，称关东军“奉天皇之命停止军事行动”，愿向苏军缴出武器。18日下午，关东军司令部向所属部队下达了投降命令。19日下午，苏军进入沈阳。22日，哈尔滨日军向苏军投降，同一天苏军进入大连。

苏联一向顾忌两面作战，卢沟桥事变以后，蒋介石多次请求苏联出兵支持中国，但斯大林始终婉言拒绝。苏联这次出兵东北，是履行对反法西斯盟国的承诺，但也带有为日俄战争失败复仇的用意，谋求继承沙俄在东北的利益是苏联参战的主要条件，这些内容已经在雅尔塔协定中体现了出来。斯大林在日本投降签字仪式当天的演说中就特别提到日俄战争的问题。斯大林说：1904年的失败是俄国的污点，而为了清洗这个污点，“我们这些老一辈的人等待这一天，已经等了40年”。

9月6日，苏联远东军总司令华西列夫斯基等特意前往旅顺，拜谒了日俄战争中在旅顺要塞战死的沙俄官兵公墓，在墓前致敬并献花圈。出兵东北使苏联得到的利益远远大于付出。