Удары были такой силы, что оборона румын была прорвана в первый же день на тактическую глубину, то есть на 10–16 км. Через несколько часов после начала наступления в прорыв вошла б-я танковая армия генерала А. Г. Кравченко. Такого примера история современных войск еще не знала. В течение суток было разбито сразу 9 дивизий.
20 августа при прорыве в боях в районе Тыргу-Фрумос отличился сержант Александр Шевченко. Продвижение его роты было под угрозой срыва из-за ведущегося из дзота огня противника. Попытки подавить дзот артиллерийским огнем с закрытых огневых позиций успеха не принесли. Тогда Шевченко бросился на амбразуру и закрыл ее своим телом, открыв дорогу штурмовой группе. За совершенный подвиг Шевченко посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза.
В армейской группе «Думитреску» обе дивизии 29-го румынского корпуса совершенно распались, а в группе «Велер» были разгромлены пять румынских дивизий. К исходу 21 августа войска 2-го Украинского фронта окончательно сокрушили оборону противника. Расширив прорыв до 65 км по фронту и до 40 км в глубину, они овладели городами Яссы и Тыргу-Фрумос и вышли на оперативный простор. Войска 3-го Украинского фронта продвинулись на глубину 35 км, расширив прорыв по фронту до 90 км, и устремились навстречу соседям. Кольцо вокруг 6-й немецкой армии неуклонно сжималось, её командующий бежал. С утра 22 августа немецкое командование начало отвод войск с кишинёвского выступа за реку Прут.
В котле оказались, как и под Сталинградом, 18 румынских и немецких дивизий. Их окружали 34 дивизии, занимавшиеся уничтожением окруженных. На это им потребовалось четверо суток. К исходу 27 августа операция была завершена: в плену оказалось 208 тыс. человек, вместе с остатками 3-й румынской армии, отступившей к Чёрному морю. Вскоре уничтожили и ту часть войск, которая переправилась на западный берег Прута с намерением пробиться к Карпатским перевалам.
Поражение немецких и румынских войск вызвало революцию в Румынии. Еще 20 июня представители коммунистической, социал-демократической и национал-либеральной партий пришли к соглашению о создании Национально-демократического блока для ликвидации режима Антонеску и выхода Румынии из войны. Король Румынии Михай координировал все действия. После поражений под Яссами и Кишинёвом армия перестала повиноваться. 23 августа во время аудиенции у короля диктатор И. Антонеску, его заместитель М. Антонеску и другие министры правительства были арестованы, части бухарестского гарнизона получили приказ занять и защитить государственные учреждения, почту, телеграф, телефонную станцию. Бухарестское радио объявило о свержении Антонеску, создании правительства национального единства, прекращении военных действий против Объединённых Наций и принятии Румынией условий перемирия.