8月9日，烏蘇里江一帶依然下著季節性的大雨，道路泥濘，河川漲水，能見度極差。當天凌晨1時，集結於伊曼地區的蘇軍第35集團軍所屬3個步兵師、4個炮兵旅、2個坦克旅以及1個高炮團、1個火箭炮團，突然對虎頭陣地進行猛烈炮擊。這次炮擊，由於事先做了精確標定，使得虎頭要塞的道路、地面工事、通訊設施、鐵路和車站都遭到嚴重的破壞，並給日軍以極大的殺傷。當時獨立炮兵第295營營長為尼基塔-謝梅爾蓋上尉，大威力榴彈炮兵第24旅旅長是費多爾-恰霍維斯基。蘇軍統計發射了234發305毫米和1155發203毫米榴彈炮炮彈。
1945年8月19日蘇軍攻占虎頭要塞後的日軍90式75毫米榴彈炮
炮擊之後，蘇軍突擊部隊兵分兩路對虎頭要塞發起進攻。一路在南面約60千米的倒木溝、東林子一帶橫渡松阿察河；另一路在北面約30千米的小木河、阿布沁河一帶橫渡烏蘇里江，形成對該地域兩翼策應的態勢。這時，未遭到炮火殺傷的日軍從睡夢中驚醒，匆忙進入預定陣地和地下工事。由於守備隊長西脅武大佐去掖河（今寧安）開會未歸，守備隊由炮兵隊隊長大木正上尉代為指揮。
6時左右，蘇軍再次進行炮擊，同時約2個步兵營進至虎頭對岸的江邊，並進行強渡。日軍發現後，立刻以各種火力進行密集攔阻射擊，企圖阻止蘇軍渡江。不過蘇軍的掩護火力更強，對日軍陣地的前沿、通道、火力發射點和制高點進行了有效的火力封鎖，因此強渡獲得成功。蘇軍上岸後隨即利用地形鞏固和發展渡河點的戰鬥。
要塞內部
當天下午13時，日軍410毫米榴彈炮開始了回擊，按照日軍數據，在1小時內發射了11發炮彈，主要集中在伊曼鐵橋附近。蘇方的統計則是日軍在8月9日共發射140發炮彈，其中80-90發為口徑240-400毫米。除了這座鐵橋外，在伊曼河和瓦庫河上的3座橋樑和伊曼市區都遭到了日軍炮擊。2天之內，日軍共對伊曼鐵橋發射了40餘發炮彈，擊毀了鐵橋北面偽裝和1個橋樑支柱，之後蘇軍攻城部隊花了一天時間修復，其餘的橋樑沒有遭到炮擊損壞。從8月9日到8月11日，日軍對蘇軍鐵路橋進行了9次射擊，總共發射了172發炮彈。而410毫米榴彈炮從8月9日到12日共發射了74發炮彈。
下午，蘇軍主力上岸後，以一部兵力增援突擊部隊，向日軍外圍陣地接近，大部兵力則按預定計劃繞過虎頭要塞向密山方向發展進攻。這天夜間，日軍利用蘇軍立足未穩、地形不熟、工事簡單和戰鬥疲勞的時機，組織2個中隊兵力，在陣地各火力點配合下，對外圍陣地附近蘇軍進行突然和猛烈的襲擊，使得蘇軍蒙受不小損失。日軍在進行夜襲中，則將地面大批糧食、彈藥和兵器等物資搬入地下。
虎頭要塞日軍在戰役一開始就陷入孤立無援狀態，與後方完全中斷了聯繫。日軍利用坑道、各支撐點的堅固工事頑抗，堅持了20天。主陣地的固定火炮擊毀了伊曼大橋，陣地9次得而復失，戰況十分激烈。
日軍410毫米榴彈炮工事
必須認識到，從戰爭的第一天起，向虎頭要塞進攻的蘇軍就面臨著一個嚴重的問題，因為他們發現日軍的重炮能夠摧毀橫跨伊曼河和瓦庫河的鐵路橋樑，並中斷了跨西伯利亞鐵路的列車行駛。儘管紅軍司令部預見了日軍的抵抗力，但日本人使用240毫米，305毫米和410毫米口徑的重型火炮有些出乎意料，需要集中全部火炮力量來壓制日本榴彈炮的火力。此外，蘇軍的炮兵偵察需要時間來確定日軍炮彈的射擊位置，直到8月10日才完成。
此後，蘇聯炮兵儘可能多地參與反炮戰，對日本炮彈的每發炮彈都會立即做出反應。此外，空軍第9集團軍的飛機第二次轟炸了虎頭要塞，出動108架伊爾-4和佩-2轟炸機進行了3次大規模空襲。儘管不可能用火炮和炸彈摧毀日本的鋼筋混凝土工事，不過日軍的240毫米和305毫米榴彈炮被直接命中。
8月10日，第35集團軍在虎頭與日本關東軍爆發激烈戰鬥，隨後紅軍地面部隊呼叫空軍支持，81架由米哈羅夫上校指揮，來自轟炸航空兵第34師的Pe-2轟炸機突然由空中出現，當場摧毀了日軍數座碉堡，同時也讓敵軍的迫擊炮以及野戰炮通通消音，隨後紅軍於兩天內完成了占領該城的任務。這天蘇軍擊退日軍4次反衝擊，占領江邊碼頭和虎頭鎮。虎北山陣地爭奪尤為激烈，陣地9次易手。
1945年8月蘇軍軍官站在被毀410毫米榴彈炮陣地前
8月10日，蘇軍發射了133發305毫米和1708發203毫米榴彈炮炮彈。蘇軍空軍共對虎頭要塞進行了3次大規模空襲，有資料指出當天蘇軍的炮擊和轟炸摧毀了日軍1門305毫米和1門240毫米榴彈炮。當天，日軍共對蘇聯領土發射了109發炮彈，其中4發410毫米榴彈炮炮彈落在距離拉佐火車站500米的地方。
8月12日，蘇軍發起第二次總攻，以優勢兵力和火力對日軍火炮陣地和要塞設施進行毀滅性打擊。步兵則在坦克掩護下，與日軍在各陣地展開白刃戰。另一路蘇軍占領虎林和密山。這天日軍依然對蘇聯領土發射了65發炮彈，其中31發是240毫米及以上口徑。
8月13日，占領猛虎山的蘇軍從地下要塞的通氣口、煙囪等投擲手榴彈和澆灌汽油，使得地下要塞內濃煙密布，不少日軍窒息死亡。
8月14日，蘇軍攻占虎東山，該處的日軍步兵1中隊向東猛虎山靠攏，日軍巨炮陣地被蘇軍攻占。
8月15日，日軍240毫米和305毫米榴彈炮陣地被蘇軍占領。
1945年8月18日擊毀的日軍45式150毫米加農炮，炮塔裝甲厚100毫米
8月17日，蘇軍要塞第109號部隊攻占虎北山，日軍步兵4中隊撤出陣地向中猛虎山轉移。自後，守備司令大木正在中猛虎山隧道內下令全員玉碎，140餘人死亡。
8月18日，蘇軍向日軍下達最後通牒，敦促日軍投降。下午4時，派出被俘的虎頭港務局局長森與一等人為軍使，到日軍猛虎山主陣地勸降。日軍守備隊副官中野利一用軍刀劈死森與一，拒不投降。當天的3時30分，日本關東軍司令已經通過電台通知蘇軍指揮部，宣布履行一切投降條款。
8月19日，蘇軍見日軍拒不投降，調集所有火炮對猛虎山進行猛烈轟擊，並發動更猛烈攻勢。日軍守備隊本部、中猛虎山、東猛虎山的守敵步兵隊本部、步兵1中隊、炮兵隊本部和所轄炮兵中隊被全殲。16日調來的來自重型榴彈炮兵第224旅的10門203毫米榴彈炮對日軍410毫米榴彈炮陣地和1個150毫米炮兵連陣地（4門）進行抵近射擊。最終扎科諾夫指揮的炮兵第5連和庫里沙指揮的炮兵第6連在距離1600米36次擊中這個巨炮陣地，終於徹底摧毀。之後又在距離1800米徹底摧毀了日軍這個150毫米火炮陣地。
8月21日，西猛虎山的步兵第3中隊被全殲。
8月26日，蘇軍集中30餘門火炮和1000餘人將要塞後方的虎嘯山殘敵100餘人團團包圍。日軍有的棄陣而逃，有的只能束手就擒，步兵第2中隊也被全殲。
1945年9月梅利茨科夫檢查日軍虎頭要塞設施
這次戰役，蘇軍由遠東第1方面軍第35集團軍負責，以步兵第246師和要塞第109號部隊為主攻。整個第35集團軍轄步兵66、264和第363師、要塞第109號、坦克第155和第209旅、裝甲列車第9和第13營，共裝備955門火炮和迫擊炮、166輛坦克和自行火炮，共投入2萬餘人。共斃敵1387人俘虜53人，此外400餘名開拓團成員也在要塞中死去，蘇軍自身損失1500餘人（犧牲493人），最新數據是純減員756人。
戰鬥結束後，蘇軍將日軍1 門410毫米和1門305毫米榴彈炮拆除運往本土。整個這次作戰，日軍共向蘇聯領土發射了450發炮彈，其中212發是240、305和410毫米口徑，而蘇軍獨立炮兵第295營消耗了866發305毫米炮彈，重型榴彈炮兵第224旅消耗5934發203毫米炮彈。
為了紀念作戰犧牲的蘇軍官兵和在虎頭殉難的中國同胞，蘇聯紅軍和虎頭人民在要塞虎東山陣地建起1座高7米的銀白色紀念碑（俗稱小白塔），以紀念全世界反法西斯戰爭的最後勝利。紀念碑正面鑲嵌的銅鑄板上書有俄文碑文，中文翻譯為「光榮屬於蘇聯史達林大元帥。紀念遠東第1方面軍攻克虎頭要塞驅逐日寇，解放虎頭鎮。1945年8月」。這是東北地區中蘇邊境最早一處紀念碑。為了紀念這段歷史，2001年8月15日，在虎頭要塞前沿陣地之一的虎東山陣地修建了「侵華日軍虎頭要塞遺址博物館」。
虎頭要塞蘇軍紀念碑
這場爭奪戰給予的啟迪是
-堅固而系統的防禦工事是堅守防禦不可缺少的條件。作戰中，蘇軍擁有強大火力，並有百餘架次轟炸機進行輪番轟炸，各種火炮實施直瞄和間瞄射擊，步兵和坦克不斷衝擊。日軍依託地上和地下工事，以薄弱兵力進行頑抗，主陣地易手9次，戰鬥持續了10多天，造成蘇軍較大傷亡。這充分說明預有設防的堅固陣地，是抗擊強大火力和步兵衝擊的基本依託。
-依託工事進行堅守防禦需要和積極的反衝擊相結合。日軍在依託工事進行頑強抵抗的同時，不斷實施反衝擊，進行白刃格鬥。儘管由於力量懸殊過大，反衝擊不能從根本上改善防禦態勢，不過給了蘇軍以較大殺傷和精神上的威脅，也使得部分陣地失而復得。
-防禦工程一切設施需要防止被對方利用。各平面出入口要避免遭到火炮的直接瞄準射擊。通風口、排煙孔、豎井等應該有防範措施。在這場作戰中，蘇軍正是利用這些工程構築上的缺點進行直瞄射擊，投放炸藥和澆灌汽油，從而造成日軍大量傷亡。
1945年8月蘇軍T-34-85坦克進入大連