Перегруппировка войск и подготовка операции проводились в весеннюю распутицу, под проливными дождями, вконец испортившими дороги. 26 марта армии правого крыла и центра 3-го Украинского фронта после артподготовки приступили к форсированию Южного Буга и прорыву обороны противника на западном берегу. Левофланговые армии начали штурм Николаева. В результате 3-дневных ожесточенных боев 57-я и 37-я армии, используя успех левофланговых армий 2-го Украинского фронта, 28 марта прорвали оборону противника на правом берегу Юж. Буга на фронте до 45 км и в глубину до 25 км. В тот же день войска 5-й ударной и 28-й армий овладели Николаевом и форсировали Юж. Буг в его низовье. В боях за Николаев подвиг совершил десантный отряд сг. лейтенанта К.Ф. Ольшанского. Прорыв обороны на флангах приморской группировки противника и угроза выхода ей в тыл войск 2-го Украинского фронта вынудили командование начать поспешный отвод 6-й немецкой и 3-й румынской армий за р. Днестр. Командование 3-го Украинского фронта для развития успеха 57-й и 37-й армий перегруппировало с центрального направления на правое крыло КМГ и 23-й танковый корпус, которые, войдя 30—31 марта в сражение, совместно со стрелковыми соединениями окончательно сломили сопротивление противника и стали быстро продвигаться в направлении Раздельной. В то же время войска левого крыла фронта развивали наступление вдоль побережья на Одессу.
30 марта части 5-й ударной армии при содействии высаженного с моря десанта морской пехоты овладели г. Очаков. По отходившим войскам наносила массированные удары авиация 17-й воздушной армии и Черноморского флота. В связи с трудностями снабжения войск в условиях распутицы и бездорожья транспортная авиация в ходе операции доставила наступавшим войскам фронта по воздуху 330 т боеприпасов, горючего и других грузов.
4 апреля войска КМГ и 37-й армии овладели станцией Раздельная, расчленив группировку противника на две части. Войска противника, отходившие на Одессу, оказались под угрозой окружения. Для того чтобы отрезать им путь отхода за Днестр и нанести удар на Одессу с тыла, командование фронта повернуло КМГ из р-на Раздельная на Ю.-В. 7 апреля части КМГ вышли к Днестровскому лиману. К этому времени 8-я гв. и 6-я армии обходили Одессу с С.-З., а 5-я ударная армия наступала на город вдоль побережья (28-я армия 29 марта была выведена в резерв Ставки). Войска противника, отрезанные в р-не Одессы, 6 и 7 апреля предприняли попытку прорваться через Раздельную на Тирасполь. Ценой больших потерь часть их сумела пробиться через боевые порядки 37-й армии и отойти за Днестр.
В последующие дни отдельным частям противника удалось прорваться из р-на Одессы к переправе через Днестровский лиман. Попытки немецкого командования эвакуировать войска и материальные ценности из Одессы морем были сорваны авиацией фронта и Черноморского флота, торпедными катерами и подводными лодками, действовавшими на вражеских коммуникациях. Были потоплены 16 быстроходных десантных барж, 4 транспорта, 12 сторожевых и торпедных катеров и другие суда. Вечером 9 апреля части 5-й ударной армии (командующий генерал-лейтенант В.Д. Цветаев) с ходу ворвались в северные кварталы Одессы. Ночью к городу подошли войска 8-й гв. и 6-й армий и КМГ. В результате ожесточенных боев к 10 ч. 10 апреля Одесса была полностью освобождена советскими войсками. Вышедшие из одесских катакомб и укрытий навстречу войскам партизаны и подпольщики помогли очистить город от врага и спасти от разрушения его важнейшие сооружения. Продолжая преследование противника, 11—14 апреля войска фронта вышли к Днестру, освободили Тирасполь и, с ходу форсировав реку, захватили плацдармы, в т.ч. киц-канский плацдарм. На этом рубеже продвижение войск фронта было остановлено организованной обороной противника.
В результате Одесской операции войска 3-го Украинского фронта во взаимодействии со 2-м Украинским фронтом нанесли тяжелое поражение 6-й немецкой и 3-й румынской армиям. Продвинувшись на 180 км, советские войска освободили Николаевскую и Одесскую области и значительную часть Молдавской ССР. Были созданы условия для полного освобождения Молдавии, продвижения в глубь Румынии и на Балканы. Черноморский флот получил возможность перебазировать в северо-западный район бассейна Черного моря легкие силы флота и авиацию, что создавало угрозу изоляции с моря крымской группировки противника, уже блокированной советскими войсками с суши. Кстати, Одесская операция, как и начавшаяся почти синхронно Крымская, проведенная на приморском направлении, характерна дальнейшим совершенствованием организации взаимодействия сухопутных войск с силами флота. Воины Красной Армии показали примеры выносливости и воинского мастерства, проявили массовый героизм. Многие части и соединения, наиболее отличившиеся в боях, были награждены орденами и удостоены почетных наименований: Одесских — 27, Николаевских — 11, Раздельненских — 3, Очаковских — 1.
Важным был и фронт в тылу врага. В 1944 году на всей территории СССР, оккупированной войсками Германии и ее союзников, еще шире развернулось партизанское движение. На юге территории Украинской ССР активно действовали подпольные организации.
Операции по освобождению Крыма предшествовали следующие боевые действия на подступах к Крыму.
Войска левого крыла 4-го Украинского фронта, состоявшие из соединений 51-й армии, 19-го танкового и 4-го гвардейского Кубанского кавалерийского корпусов, прорвав в октябре 1943 г. оборону противника на реке Молочной, к 1 ноября вышли к Перекопскому перешейку и Сивашу. Части 19-го танкового корпуса, действовавшие на Перекопском перешейке, с ходу прорвали оборону немецко-румынских войск в центре Турецкого вала и завязали упорные бои за Армянск. Эти бои протекали в тяжелых для наших войск условиях. Противник имел значительное превосходство в силах. Наши пехота и кавалерия отстали и поэтому не смогли своевременно поддержать танковые части. В результате 19-й танковый корпус и находившийся с ним 36-й кавалерийский полк 4-го гвардейского кавалерийского корпуса оказались 2 ноября отрезанными в районе Армянска. Утром 3 ноября к Армянску подошли части 54-го и 55-го стрелковых корпусов 51-й армии. Они прорвали вражеское кольцо и соединились с частями 19-го танкового корпуса, сражавшимися в окружении. Бои в районе Армянска продолжались до 10 ноября. Наши войска удержали за собой плацдарм южнее Турецкого вала, захваченный ими 1—2 ноября.
На сивашском направлении части 10-го стрелкового корпуса 51 -й армии форсировали Сиваш и захватили плацдарм в районе Чигары, Хаджи-Булат, Биюк-Кият. При форсировании Сиваша нашим войскам пришлось преодолеть около трех километров водного пространства, местами идти по пояс в ледяной воде, по вязкому илистому дну. Интересно отметить, что форсирование Сиваша в 1943 году проводилось, как и в 1920 году, под командованием М.В. Фрунзе, в одно и то же время года (с 1 по 6 ноября) и было построено на принципе внезапности.
Южнее Сиваша в начале ноября шли упорные бои, в результате которых советские войска удержали основную часть плацдарма. В декабре 1943 г. советские инженерные части и стрелковые войска построили через Сиваш две переправы. Немцы неоднократно пытались разрушить их, и иногда это им удавалось. Но они быстро восстанавливались. Немалую роль в сохранении переправ сыграли тщательная маскировка и устройство ложной переправы.
