见劝降失败，苏军开始集中火箭炮对天长山阵地进行猛烈轰击。在前两次陪嘎丽娅上山谈判的过程中，一名苏军军官暗中仔细观察了要塞的堡垒位置并绘制出了详细的坐标图，从而为炮击提供了准确的依据。
在天长山阵地被包围的第六天，苏军步兵和坦克冲进了已遭到毁灭性摧毁的阵地，阵地上仅有二十六名日本兵投降，其余均被杀或自杀。
鉴于第五集团军在绥芬河受到牵制，梅列茨科夫决定变更作战部署，他将第五集团军的部分炮兵和步兵集团配属给第二十五集团军、红旗第一集团军，从而使得后两个集团军变身成为进攻方向上的两把尖刀。
8月10日，第二十五集团军完成对东宁和东兴要塞的迂回封锁，集团军主力前出至东宁—图们铁路线。部分兵力在太平洋舰队舰炮的支援下，强渡珲春河和图们江，突击了靠近朝鲜边境的日军工事。
日军指挥机构原本指望第一道防线能够起到较大作用，使苏军主力受到重创，或至少受阻若干时间。如此，关东军总部和第一方面军才能够腾出手来，从牡丹江、汪清一带准备并实施强有力的反击。
在苏军主力绕过绥芬河、东宁等要塞之后，这一打算已完全落空。当天晚上，日军第一方面军司令官喜多下令将方面军司令部移往牡丹江市西南的敦化，敦化与原驻地牡丹江相距多达一百七十公里。
第五军司令官清水也急忙调整部署。他分别调来第一二六师团、第一三五师团，在牡丹江以东仅五公里处的掖河（即今铁岭河）附近增设了一道防线。
眼看日军正面的抵抗能力已大为削弱，红旗第一方面军司令员决定加大任务纵深，以便争取在最短的时间内强渡穆棱河。8月10日拂晓，苏军对密山要塞展开进攻。战斗中，工兵瓦西里奉命消灭一个永备火力点。在扔完手中的集束手榴弹后，他突然扑过去，用胸膛堵住了射孔。
瓦西里的壮举被认为是苏军攻下密山要塞的一个重要因素，事后他因此被授予了“苏联英雄”的称号。事实上，苏军士兵舍身堵枪眼的例子在远东战役中并不少见，有西方学者研究认为，这与苏军嗜饮伏特加且战前也要喝酒有关——在苏德战场上，苏军士兵就常常仗着几百克伏特加的酒劲，以极其无所谓的态度迈向死亡，当时连德军都对此感到惊愕不已。
抛开舍身堵枪眼的行为，是否真的会对整个战斗过程具有决定性作用不谈，西方的这种分析显然对苏联红军作为党军的特点，做了有意无意的忽略。在过去的沙俄军队中，率领部队前进的是现役军官，在部队中这些军官越多，它的战斗力越强。苏军则不同，站在部队前头的已经不是现役军官，而是共产党员和共青团员。这样苏军呈现出的特点就是党团员越多，战斗力越强。
根据苏联公布的资料，苏联远东军中党团员人数超过八十八万，占全军总人数的一半以上，舍身堵枪眼的“苏联英雄”也几乎都是清一色的党团员。
雪上加霜
苏军的狂飙突进和己方军事部署的临时调整，令前线日军更加慌乱。一乱就特别容易出错，正在穆棱构筑防线的第一二四师团长椎名正健为了阻挡苏军的进攻，急急忙忙地下令炸掉了穆棱河的大桥。结果，从绥芬河要塞逃出的日军残部无法过河，从要塞转移出来的一批重型装备都只能扔在东岸，其中包括防守时急需的几门新式榴弹炮。
同样的情况也发生在牡丹江重炮联队。清水将这支特种部队临时配属给第一二四师团使用，可是重炮联队没有牵引车可运送大炮。害怕大炮落入苏军之手，联队不得不忍痛将所有的六门重炮予以炸毁。
相比于苏军，日军的火力本来就偏弱，一下子又损失了这么多大炮，真可谓是雪上加霜。
第一二四师团的炸桥之举并没有能够使红旗第一集团军放慢进攻节奏。8月10日下午，进展最为顺利的步兵第二十六军新编了一个军先遣支队。先遣支队由坦克旅、自行火炮连、冲锋枪连和工兵排编成，行动极为迅速。他们很快就渡过穆棱河，在摧毁一个日军支撑点后，突入了穆棱东北郊。
日军从第一二六师团调动了约一个步兵联队的兵力，凭借已有的防御阵地进行抵抗。此时，苏军的轰炸机部队开始发威。
由于日军的火炮口径远远比不上苏军，其仅有的高射炮阵地事先已被摧毁，加之空中又缺乏日军航空兵的保护，这使得苏军轰炸机如入无人之境，可以随心所欲地对地面火炮、防御工事实施打击。
先遣支队的T-34坦克亦不遑多让，轰炸机料理不到的空白之处，都由它们来填补，日军的火力点逐一被其击毁。
城外的防御阵地守不住，日军只得撤入城内。晚上8点，苏军的另外两支师属先遣支队也兵临城下。
一个小时后，苏军从东、北、南三面同时发起攻击，从而一举拿下了穆棱。在穆棱之战中，士兵齐甘科夫的表现最为出色。当时他正作为一名冲锋枪手，搭乘一辆T-34坦克往前推进，途中，他和战友遭到了一个小队的日军的袭击。
齐甘科夫以抵近射击的方式，用冲锋枪近距离射杀六名日本兵。之后子弹打光了，他又拔出随身携带的芬兰刀，在肉搏战中独自格杀了三名日本兵。战后齐甘科夫被授予列宁勋章，所使用的冲锋枪和芬兰刀也被苏联符拉迪沃斯托克博物馆予以收藏。
8月11日，步兵第二十六军主力逼近穆棱，军先遣支队则开始沿着仙洞会让站的道路，向第一二六师团的退却部队进行追击。
第二天，先遣支队到达会让站附近的无名高地，随即便遭到了高地上日军的阻击。经过激战，苏军成功地压制住高地日军，夺取了会让站。
之后先遣支队的二五七坦克旅一马当先，向桦林车站开进。
此时，从密山和绥芬河要塞撤出的日军以及日军指挥部临时调集的防守部队，都在奉命向牡丹江集中，其中不仅包括第五军所属的第一二四师团、第一二六师团、第一三五师团，还有警卫部队、铁路警备队和各种后勤部队。桦林车站乃是各路日军撤向牡丹江的必经之路，按照集团军司令部的命令，步兵第二十六军必须马上攻下并坚决守住这里。
步兵第二十六军能担负快速机动任务的部队是先遣支队，先遣支队里速度最快、火力最强的机动部队又只有二五七坦克旅。尽管明知要挡住日军几个后撤的师团，兵力过于单薄，但二五七坦克旅还是不打一点折扣地执行了上级命令。
为了守住桦林车站，日军在苏军必经的山口设下了包围圈。在坦克旅进入包围圈后，日军特攻队员突然从藏身洞中冲出，使用反坦克手雷向坦克发起攻击。坦克旅原有二十五辆T-34坦克，被一下子炸掉六辆，只剩下了十九辆坦克。
坦克旅旅长阿尼希克中校见势不妙，急忙率领全旅冲出了包围圈。
坦克旅穿过沼泽，冲上公路，前面出现了一座日军兵营。吃了亏的坦克兵们正好没处撒气，他们开着坦克冲过去，推倒了兵营的围墙。
兵营院子里只有几个日本兵，在胡乱放了几枪之后，便都各自逃命去了。阿尼希克等人下车一检查，原来这是一座日军的大型仓库，里面约有四十多座库房，其中就包括油库。
几天下来，所有坦克都已经出现了油料不足的问题，油库的出现，可谓是喜从天降。
加满油料，坦克旅重新抖擞精神，全速向桦林车站开去。
走廊
桦林车站及其沿线很忙，因为有太多的日军需要打这里通过。还未到达车站，坦克旅就通过袭击铁路上的一辆军列，活捉了车上的一名日本兵。
通过审讯，阿尼希克得知，第一二五师团调往牡丹江的一个步兵大队即将从附近的公路上经过。第二天早上，他们在公路边进行伏击，结果没有打着步兵，打的是一个装载弹药的日军运输车队。车上的弹药被坦克炮引燃，在巨大的爆炸声和冲天大火中，日军车队灰飞烟灭。
火线入党，苏联红军中经常可以见到的情景。图中坦克部队的党组织正在审议坦克手的入党申请。
当坦克旅冲进桦林车站时，车站里已空无一人。桦林镇离牡丹江大约只有十公里。因为不再担心油料不足，阿尼希克决定一不做，二不休，直接杀向牡丹江。
不料在镇口的两座小桥上，坦克旅又遭遇了日军的顽强阻击。经过一番恶战，全旅仅剩七辆坦克，继续进攻的力量已感不足。阿尼希克只得下令退出战斗，撤到桦林车站南线进行防御。
大约一个小时后，一列日军列车从牡丹江方向开了过来，车上满载着第一三五师团所属部队。隐蔽在铁路两侧的苏军坦克立即开火，第一阵轰击就使列车中弹着火。从车上跳下来的日本兵或死于枪炮之中，或丧身于履带之下，只有少数躲藏在车站附近高粱地里的士兵才得以逃命。
仅仅二十分钟过后，又有一列日军军列开了过来。看到前面燃起大火，列车员连忙采取紧急刹车的措施。坦克旅虽连续开炮，但由于离得太远，只炸毁了列车上的几节车厢。
日军从车厢里推出几门反坦克炮，朝苏军坦克进行射击，有两辆坦克中弹起火。同时，大批日军从车上跳下来，对坦克旅实施包围。
