В ночь на 16 октября 1-я бригада 5-й ударной дивизии, усиленная советскими танками и артиллерией, атаковала немецкую колонну на шоссе между Гроцкой и селом Брестовик, нанесла ей потери, но вследствие значительного превосходства сил противника вынуждена была отойти в район села Пударци.
Сосредоточиваясь в Гроцке, германское командование намеревалось в ночь на 16 октября сильным передовым отрядом пробиться в Белград и тем самым обеспечить прорыв в город главных сил отходившей по Смедеревскому шоссе группировки войск. В сложившейся обстановке командование 1-й армейской группы НОАЮ приказало 21-й ударной дивизии, находившейся в армейском резерве в районе горы Авала, срочно создать сильный заслон на Смедеревском шоссе и не допустить прорыва противника в Белград. Выполняя поставленную задачу, 4-я сербская бригада 21-й дивизии заняла оборонительные позиции на высотах Шугавац, Липовци на левом берегу реки Болечица и в глубине на рубежах Эрино-Брдо, Смрдан; Мали-Мокри-Луг, Велики-Мокри-Луг, где к этому времени оборонялась 15-я гвардейская механизированная бригада Красной армии. 5-я сербская бригада 21-й дивизии заняла рубеж Голо-Брдо, Лештане, Забран, имея задачей действовать во фланг немецких войск, подходивших по Смедеревскому шоссе. Одновременно на восточной окраине города заняли позиции части 5-й ударной дивизии, усиленные советскими танками и артиллерией.
Вечером 15 октября немецкие войска силами до полка пехоты с танками и самоходной артиллерией перешли в наступление против частей 21-й и 5-й ударных дивизий югославской армии. Завязался ожесточенный бой, длившийся всю ночь. Несмотря на большие потери (только в боях в районе Мали-Мокри-Луг они потеряли около 360 человек убитыми), немцы упорно стремились прорваться в город. Ночью частью сил им удалось ворваться на улицы Белграда в направлении Конярник, Цветкова-Механе, Велики-Врачар.
Утром 16 октября противник частью сил нанес удар по боевым порядкам 14-й гвардейской механизированной бригады Красной армии в районе Велики-Мокри-Луг, чтобы оказать помощь главным силам, которые вели наступление в целях захвата Смедеревского шоссе и продвинулись в восточное предместье Белграда. Однако прорвавшемуся в восточный пригород Белграда противнику не удалось пробиться в центр города и соединиться со своими войсками. Утром 16 октября батальон 2-й Пролетарской бригады 21-й ударной дивизии югославской армии атаковал немецкие части, подходившие к улице Короля Александра, и отбросил их в район школы имени Воислава Илича, где во взаимодействии с 36-й гвардейской танковой бригадой Красной армии они были окружены и уничтожены.
В течение первой половины дня была разбита и большей частью уничтожена и вторая группа противника, пробившаяся к Конярнику. Наиболее сильное сопротивление оказала третья группа, прорвавшаяся в районе Велики-Врачара. Одновременным ударом 14-й гвардейской механизированной бригады Красной армии и 5-й ударной дивизии НОАЮ по сходящимся направлениям эта группа противника была расчленена и также уничтожена. В бою принимала участие и 12-я Воеводинская бригада, переброшенная на кораблях Дунайской военной флотилии из Баната. Таким образом, 16 октября была сорвана вторая попытка германского командования обеспечить прорыв своих главных сил в Белград со стороны Смедерево. Значительную роль в ликвидации попыток германских войск прорваться в Белград сыграли боевые действия 21-й ударной дивизии югославской армии, преградившей на рубеже реки Болечица путь немецким частям, спешившим на помощь прорвавшейся в город группе своих войск, а также упорные оборонительные бои, которые вели с той же целью 15-я гвардейская механизированная и 5-я отдельная гвардейская мотострелковая бригады Красной армии на рубеже Мали-Мокри-Луг, Велики-Мокри-Луг.
Не менее напряженные бои 16 октября развернулись и на участке 36-й гвардейской танковой бригады. Взаимодействуя с частями 236-й стрелковой дивизии, бригада после упорного боя вышла на северо-восточную окраину города. Вместе с советскими войсками в этом районе наступали и части 1-й Пролетарской дивизии Народно-освободительной армии Югославии. 13-я гвардейская механизированная бригада во взаимодействии с частями 6-й Пролетарской дивизии 16 октября вела бои с засевшим в каменных зданиях, железобетонных колпаках противником в районе Главного вокзала. Понеся в этих боях значительные потери, бригада почти не продвинулась вперед. Наступавшая левее 73-я гвардейская стрелковая дивизия, сломив сопротивление противника, овладела в этот день пунктами в районе пивоваренного завода и вышла к взорванному железнодорожному мосту через реку Сава.
Значительную помощь в уничтожении немецких частей на северо-восточных и юго-восточных подступах к Белграду оказывала войскам 4-го гвардейского механизированного корпуса и частям Народно-освободительной армии Югославии 109-я гвардейская стрелковая дивизия 46-й армии 2-го Украинского фронта. Она не только уничтожала отдельные прорвавшиеся из окружения группы противника, но и создавала постоянную угрозу белградскому гарнизону с севера и востока.
В результате напряженных боев штурмующие войска к исходу 16 октября полностью овладели восточной и северо-восточной частями Белграда и продолжали драться в северо-западном и юго-западном районах города.
Освобождение Белграда проходило в чрезвычайно сложной обстановке. Бои в городе происходили одновременно с боевыми действиями по ликвидации группировки противника, окруженной юго-восточнее и южнее Белграда. Эти войска упорно стремились прорваться в город. В связи с этим из города выводились отдельные части для усиления обороны на юго-восточных подступах к нему. 17 октября на участок 21-й ударной дивизии, на левый берег реки Болечица, были выведены 2-я Ликская и 2-я Пролетарская бригады. На своем левом фланге 21-я дивизия Народно-освободительной армии Югославии установила связь с частями 109-й гвардейской стрелковой дивизии 46-й армии 2-го Украинского фронта, переправившимися совместно с 12-й Воеводинской бригадой НОАЮ через Дунай и занявшими село Винча.
С целью предотвратить возможную попытку немцев прорваться со Смедеревского шоссе на запад, к Саве, в район горы Авала, из Белграда была направлена 11-я ударная дивизия югославской армии. На восточной окраине Белграда, за фронтом 21-й дивизии, сосредоточились также силы 5-й ударной дивизии, 15-й гвардейской механизированной и 5-й отдельной гвардейской моторизованной бригад. Предпринятые меры были своевременными. Атакуя из района Болеча, а также на участке Кусак, Забран оборонительные позиции советских и югославских частей, противник потеснил части 21-й дивизии с левого берега реки Болечица и подошел на рассвете 17 октября к рубежу Эрино-Брдо, Голо-Брдо, находившемуся в 4–5 км от города. Части 21-й ударной дивизии отошли на последний оборонительный рубеж — гора Стопчино, Кумодраж. Кроме того, утром 17 октября противник атаковал позиции 15-й гвардейской мехбригады, потеснил ее и занял Велики и Мали-Мокри-Луг. Наращивая усилия, германские войска продолжали пробиваться к Белграду. Однако отошедшие на новый оборонительный рубеж части бригады закрепились и остановили наступление противника. Уже в течение первой половины 17 октября в результате объединенных усилий 21-й ударной дивизии и 15-й гвардейской мехбригады, поддержанных дивизионом реактивных минометов и авиацией 3-го Украинского фронта, положение на восточных подступах к Белграду стабилизировалось.
