Задачу разгрома противника в нижнем течении Южного Буга войска 3-го Украинского фронта должны были решать в тесном взаимодействии со 2-м Украинским фронтом. К 22 марта, когда основные силы 3-го Украинского фронта вышли к Южному Бугу, войска правого крыла и центра 2-го Украинского фронта вышли на Днестр в районе Могилева-Подольского, Ямполя, а войска левого крыла фронта форсировали Южный Буг к югу от Гайворона.

Над 8-й, 6-й немецкими и 3-й румынской армиями нависла угроза окружения.

К 28 марта войска 3-го Украинского фронта насчитывали в своем составе 57 стрелковых и 3 кавалерийские дивизии, танковый и механизированный корпуса общей численность 470 тыс. человек, 12 678 орудий и минометов, 435 танков и самоходно-артиллерийских установок, 436 боевых самолетов.

Противостоящие фронту войска 6-й немецкой и 3-й румынской армий к этому же времени насчитывали 350 тыс. человек, около 3200 орудий и минометов, 160 танков и штурмовых орудий. На этом направлении противник мог использовать до 550 боевых самолетов 1-го авиационного корпуса 4-го воздушного флота немцев и румынского авиационного корпуса.

Хотя наши войска и обладали некоторым превосходством в силах, перед ними стояла сложная задача, так как враг занимал выгодные позиции. В глубине его обороны были подготовлены оборонительные рубежи по рекам Тилигул, Большой Куяльник, Малый Куяльник и Днестр. Особенно сильно укреплялись подступы к Одессе. Трудности предстоящей операции усугублялись весенней распутицей, которая ограничивала маневр войск и подвоз материальных средств.

Прорыв немецкой обороны начали в трех местах: в районе Вознесенска, Новой Одессы и Николаева. Удачно сочетая действия артиллерии, морского десанта и авиации, советские войска смогли разорвать фронт и устремились на запад.

В виду весенней распутицы танковые войска потеряли мобильность и снизили темп наступления. Враг мог воспользоваться такой ситуацией — выиграть время и подтянуть резервы, чтобы ликвидировать прорыв. Поэтому в образовавшиеся бреши были введены части конно-механизированной группы И. Плиева. Кавалерия не годилась для обороны или прорыва позиций, зато она была идеальным инструментом глубоких рейдов по вражеским тылам. Советское командование научилось сочетать кавалеристов с танками и моторизированной пехотой и получило отличное средство проведения глубоких маневренных операций.

Войдя в прорыв, конно-механизированная группа Плиева устремилась к станции Раздельной — крупному транспортному узлу, через который проходили линии снабжения всей группы армий врага. Слабые немецкие подразделения опрокидывались с ходу, более сильные обходились, и в дальнейшем ими «занималась» шедшая следом пехота.

Уже 31 марта части Пилева ворвались в Березовку, а 4 апреля освободили Раздельную. Захват станции оказался неожиданным для румын и немцев. Через несколько часов после того, как Раздельная была очищена от немцев, со стороны Одессы на станцию пришел эшелон с немецким подкреплением. Все они при выходе из поезда были взяты в плен.

Утром 6 апреля немцы попытались вернуть контроль над Раздельной. В результате упорных боев врагу удалось потеснить части советских войск, выйти к переправам через реку Кучуруган и соединиться со своими войсками, действовавшими северо-западнее Раздельной. Однако дальнейшего успеха немцы не достигли.

С выходом советских войск в район Раздельной группировка противника была рассечена на две части. Одна часть румыно-немецких войск отходила к реке Днестр, другая прижималась к Одессе и, осознавая свое окружение, пыталась отойти на запад через Овидиополь.

Советские войска были фактически избавлены от необходимости осуществлять тяжелый штурм города, так как румыны и немцы думали не о том, как его удержать, а как бы из него выбраться. В ночь на 10 апреля части Красной Армии заняли исходные позиции для штурма Одессы, но уже к 11 утра были на Дерибасовской.

Однако в трудном положении оказались 10-я гвардейская и 30-я кавалерийские дивизии, которые 10 апреля к северу от Овидиополя были атакованы крупными силами врага, отступавшими из-под Одессы, и вынуждены были отойти на север.

После овладения Одессой армии 3-го Украинского фронта продолжали развивать наступление на запад.

Танковые соединения фронта из-за трудных условий погоды действовали в основном в боевых порядках стрелковых войск. Лишь на заключительной стадии операции они смогли оторваться от пехоты, но сразу же оказались в трудном положении. Так, 23-й танковый корпус 10 апреля попал в окружение в районе села Плоское и вел бой до подхода стрелковых частей 11 апреля.

Вечером 11 апреля бойцы 37-й армии генерала Шарохина ворвались на северную окраину Тирасполя. Стрелковый корпус Осташенко, захватив Суклею, завязал бои на восточной окраине города. В ночь на 12 апреля он был очищен от противника.

Войска 6-го гвардейского стрелкового корпуса под командованием генерал-майора Г. П. Котова 11 апреля вышли на берега Днестра к югу от Тирасполя в районе Слободзеи и с ходу форсировали реку. 20-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора И.М. Дрейера двумя полками захватила плацдарм до 2 км по фронту и до 1,5 км в глубину. К исходу 12 апреля плацдарм был значительно расширен — на него переправились уже четыре стрелковые дивизии.

46-я армия к исходу 11 апреля вышла на восточный берег Днестра в районе южнее села Чобручи, а 12 апреля силами разведывательных подразделений форсировала Днестр в 3 км юго-восточнее села Раскайцы.

57-я армия с приданным ей 23-м танковым корпусом 12 апреля вышла на восточный берег Днестра в районе Паркан и соединилась с группой М. Дрейера у Кицкан. В 12 часов дня 93-я стрелковая дивизия генерал-майора А.Я. Краузе также форсировала Днестр в районе сел Буторы и Шерпены.

В последующие дни войска фронта продолжали наращивать силы на захваченных плацдармах по западному берегу Днестра.

Немецкое командование, приведя свои войска в порядок и собравшись с силами, приняло все меры к ликвидации захваченных плацдармов. Против советских войск, переправившихся на западный берег Днестра, враг бросил крупные силы авиации. Поэтому борьба за расширение и удержание плацдармов носила длительный и исключительно напряженный характер. Чтобы удержать плацдармы, командование приостановило наступление к реке Прут. Части Красной Армии перешли к обороне.

В результате Одесской операции войска 3-го Украинского фронта во взаимодействии со 2-м Украинским фронтом нанесли поражение вражеской группировке, действовавшей между Южным Бугом и Днестром. Семь дивизий 6-й немецкой армии потеряли до половины своего состава.

Выдвинувшись на рубеж нижнего течения Днестра и захватив плацдармы на его противоположном берегу, войска 3-го Украинского фронта заняли выгодное положение для последующих действий с целью освобождения Молдавии и продвижения вглубь Румынии и на Балканы. Выход советских войск в район Одессы поставил в еще более безнадежное положение группировку вражеских войск в Крыму.