5 сентября, в день объявления войны Болгарии, советская Ставка утвердила план Болгарской операции, разработанный Военным советом 3-го Украинского фронта при участии представителя Ставки маршала Жукова. В ходе ее войска Толбухина должны были выйти на рубеж Джурджу, Карнобат, Бургас, овладеть портами Варна и Бургас, захватить флот противника и освободить приморскую часть Болгарии. Их продвижение планировалось на глубину до 210 км.

3-й Украинский фронт имел в составе 46-й, 57-й и 37-й армий около 258 тысяч человек, 5583 орудия и миномета, 508 танков и САУ, 1026 боевых самолетов. Для действий в южной части Добруджи в направлении Айтос, Бургас сосредоточивались все его силы — 28 стрелковых дивизий, 2 механизированных корпуса и 17-я воздушная армия. Для поддержки наступления на этом направлении привлекались также три штурмовые авиадивизии 2-го Украинского фронта.

Черноморский флот должен был блокировать Варну и Бургас, с подходом подвижных войск фронта высадить морской десант и совместно с ними овладеть этими портами. Дунайская флотилия, переданная 30 августа в оперативное подчинение Толбухину, должна была захватить на Дунае в районе порта Русе все плавсредства противника, прикрыть действия сухопутных войск от возможных ударов его кораблей и во взаимодействии с 46-й армией овладеть портом.

Отсутствие заранее подготовленной обороны, невысокая плотность болгарских войск и почти полная уверенность советского командования в том, что они не окажут сопротивления, позволили не планировать артиллерийскую и авиационную подготовку наступления. Было решено начать наступление выдвижением в колоннах передовых подвижных отрядов, вслед за ними через час выдвинуть авангардные полки дивизий первого эшелона корпусов, а затем и главные силы всех трех общевойсковых армий.

Командование фронта придавало особое значение быстрому освобождению Варны и Бургаса, так как это лишало противника последних баз на Черном море и неизбежно вело к гибели его флота. «Решительное наступление войск 3-го Украинского фронта должно было вызвать панику и растерянность среди правящих кругов Болгарии и явиться сигналом для начала народного вооруженного восстания».

8 сентября в 11 часов утра войска 3-го Украинского фронта перешли румыно-болгарскую границу передовыми отрядами, а спустя полтора часа — главными силами. Без единого выстрела они стремительно продвигались по своим маршрутам в юго-западном направлении. Первые донесения командиров полков и дивизий не оставляли сомнения в том, что болгарская армия не окажет сопротивления советским войскам. Население восторженно приветствовало Красную Армию. Учитывая это, Сталин дал указание болгарские войска не разоружать. К исходу первого дня операции подвижные войска фронта продвинулись до 70 км и вышли на рубеж Русе, Варна. На рассвете 8 сентября в порту Варна высадились главные силы морского десанта, а в 13 часов в порту Бургас — отряд численностью около 4000 человек. Перед этим в Бургас был выброшен воздушный десант.

Вечером 8 сентября Ставка уточнила задачу войскам фронта, приказав на другой день продвигаться в направлении Бургас и Айтос, овладеть ими и выйти на линию Русе, Разград, Тырговиште, Карнобат. Выполняя эту задачу, подвижные соединения 9 сентября продвинулись до 120 км.

С вступлением советских войск на территорию Болгарии правительство Муравиева объявило войну Германии, однако 9 сентября оно было свергнуто. К власти пришло правительство Отечественного фронта во главе с Кимоном Георгиевым, которое обратилось к СССР с просьбой о перемирии. В тот же день новое правительство издало приказ об аресте регентов и всех членов старых правительств, проводивших «прогерманскую, антинародную политику». В Софию из Москвы заспешили лидеры заграничного руководства компартии.

В связи с этими событиями Ставка 9 сентября в 19 часов направила Толбухину новую директиву. В ней говорилось: «Ввиду того что болгарское правительство порвало отношения с немцами и объявило войну Германии и просит советское правительство начать переговоры о перемирии, Ставка Верховного Главнокомандования согласно указаниям Государственного Комитета Обороны приказывает к 21 часу 9 сентября закончить операцию по занятию намеченных по плану населенных пунктов и с 22 часов 9 сентября с. г. прекратить военные действия в Болгарии, прочно закрепившись в той полосе Болгарии, которая занята нашими войсками».

В тот же день Сталин подписал приказ: «Операции наших войск в Болгарии были начаты потому, что болгарское правительство не хотело разорвать свои отношения с Германией и давало приют немецким вооруженным силам на территории Болгарии. В результате успешных действий наших войск цель военных операций достигнута: Болгария разорвала свои отношения с Германией и объявила ей войну. Тем самым Болгария перестала быть опорой немецкого империализма на Балканах, каковой она была в течение последних тридцати лет».

Со стороны Германии последовали антиболгарские акции. Началось сосредоточение немецких войск на югославско-болгарской границе. Северо-западные районы страны и особенно район Софии оказались не защищенными от возможных ударов наземных войск группы армий «Ф» и авиации противника. Не исключалась также возможность вторжения в Болгарию под каким-либо предлогом турецких войск из Восточной Фракии. Советские же войска остановились в 300 км от Софии и в 360–400 км от болгаро-югославской границы.

Вечером 9 сентября находившийся в Москве Георгий Димитров обратился с просьбой к советскому командованию принять в штабе 3-го Украинского фронта полномочную делегацию нового правительства.

10 сентября генерал Толбухин принял делегацию, возглавляемую членом Политбюро КПБ Д. Ганевым. Она проинформировала командование фронта о вооруженном восстании, политической платформе правительства Отечественного фронта и его желании как можно быстрее заключить перемирие со странами антигитлеровской коалиции и попросила военную помощь. Последнюю просьбу советская стороны удовлетворила немедленно.

12 сентября Толбухину было присвоено звание Маршала Советского Союза.

13 сентября Ставка дала указание направить в Софию начальника штаба 3-го Украинского фронта генерала СС. Бирюзова для руководства действиями советских войск и организации взаимодействия с болгарской армией через Генеральный штаб Болгарии. Одновременно было приказано выдвинуть в район Софии 34-й стрелковый корпус и перебазировать туда часть сил 17-й воздушной армии. 15 сентября советские войска вступили в Софию, три дня спустя они заняли положение к северо-западу и юго-западу от города, оседлав дороги, ведущие к столице.

17 сентября болгарская армия поступила в оперативное подчинение советского командования. 20 сентября последовала директива Ставки о переброске войск 3-го Украинского фронта в западные и южные районы страны. Войска 57-й армии, совершив 500-километровый марш, к концу сентября вышли на болгаро-югославскую границу. 37-я армия и 4-й гвардейский механизированный корпус к тому времени были сосредоточены в районах Казанлык, Нова-Загора, Ямбол. Это надежно обеспечивало левое крыло фронта и безопасность южных районов Болгарии. Главные силы болгар сосредоточивались на направлении София, Ниш для действий в последующем на левом фланге Толбухина.