Наступать советским войскам предстояло в сложных условиях через Восточные Бескиды — цепь гор, во многих местах покрытых лесами. Наиболее доступным для продвижения войск считался находящийся на высоте 502 метра над уровнем моря Дуклинский перевал, через который проходит шоссе Кросно—Прешов. Восточные Бескиды изобилуют реками, впадающими на севере в Вислу, а на юге в Дунай. Их русла пролегают в глубоких каменистых ущельях. На северных склонах Карпат имелась лишь одна дорога.

Подготовка операции была связана со значительными трудностями. К концу августа войска 1-го и 4-го Украинских фронтов, завершившие длительную наступательную операцию, имели большой некомплект в личном составе и боевой технике, нуждались в отдыхе. Соединения и части располагали ограниченным запасом материальных средств. Войска не имели опыта ведения боевых действий в горах, за исключением прибывшего из Крыма 3-го горнострелкового корпуса, к участию в операции, кстати, не запланированного, не были обеспечены горным снаряжением.

Таким образом, перед войсками 1-го и 4-го Украинских фронтов стояла весьма трудная задача. Германское руководство стремилось любой ценой удержать Словакию, рассматривая ее как барьер на пути Красной Армии в промышленные районы Чехии, Моравии, Венгрии и Юго-Восточной Польши. Германское командование отчетливо представляло, что преодоление войсками 1-го Украинского фронта наиболее узкой части Главного Карпатского хребта привело бы к быстрому прорыву их в Чехословакию и на Венгерскую низменность и к соединению с войсками 2-го Украинского фронта, продвигавшимися из Северной Румынии. Кроме того, вступление советских войск через Словакию в Венгрию создавало прямую угрозу южным районам самой Германии. Поэтому немцы сосредоточили здесь крупную группировку войск и, используя систему параллельных хребтов Карпатских гор, построили на всех важнейших направлениях глубокую и сильную оборону. Основу ее составляли эшелонированные на глубину до 60 км укрепленные районы, прикрытые в промежутках инженерными сооружениями полевого типа, минными полями, надолбами и проволочными заграждениями.

Наступление войск 1-го и 4-го Украинских фронтов первоначально развертывалось на узком участке, затем ширина его полосы достигла нескольких сот километров. Двумя армиями дело не обошлось, да и в пять дней тоже не уложились. Пришлось проводить две операции: Карпатско-Дуклинскую и Карпатско-Ужгородскую.

Всего в операции приняли участие три общевойсковые армии, два отдельных стрелковых, один танковый и один кавалерийский корпуса со средствами усиления. В их составе насчитывалось 33 дивизии, 3 пехотные и 3 отдельные танковые бригады. Действия наземных войск обеспечивались авиацией двух воздушных армий. Всего в войсках к началу операции насчитывалось 378 тысяч человек, 5140 орудий и минометов, 322 танка и САУ и 1165 боевых самолетов. Позднее были введены еще дополнительные силы.

Это произошло по причине того, что никакой помощи от словаков в овладении перевалами советские войска не получили. Нерешительность и колебания командования словацкой армии позволили немцам в период в течение нескольких дней разоружить гарнизоны в крупных городах, а также восточнословацкий корпус, который должен был вступить в контакт с советскими войсками.

Силам двух фронтов противостояли 1-я немецкая танковая и 1-я венгерская армии. Они имели 10 немецких, 8 венгерских дивизий и 2 венгерские горнострелковые бригады, в которых насчитывалось около 300 тысяч человек, 3250 орудий и минометов, до 100 танков и штурмовых орудий и 450 самолетов.

Карпатско-Дуклинская операция началась утром 8 сентября. После артиллерийской подготовки и ударов авиации главные силы 38-й армии, имевшей в своем составе 9 стрелковых дивизий, прорвали оборону противника и в течение дня продвинулись в направлении Дуклинского перевала, на 12 км. Перед фронтом армии действовали три пехотные дивизии немцев.

Для развития успеха в сражение стали вводиться 25-й танковый корпус генерала Ф.Г. Аникушкина, кавалерийский корпус генерала В.К. Баранова и 1-й Чехословацкий корпус. Однако это не дало желаемого результата, к исходу дня сопротивление противника значительно возросло. Танковые соединения, насчитывавшие 108 бронеединиц, наступали вдоль дорог колоннами, теряли маневренность и пробивную силу и несли большие потери. Стремясь любой ценой не допустить советские войска на территорию Словакии, германское командование начало поспешно перебрасывать в полосу прорыва подкрепления с других направлений — 1-ю танковую и 75-ю пехотную, подразделения 208-й дивизии, а также отдельные части, действовавшие против восставших. Сюда же из района Кракова выдвигалась 8-я танковая дивизия. Эти перегруппировки в полосу 38-й армии ослабили немецкий нажим на районы восстания в Словакии, но противник сумел занять новый оборонительный рубеж в 6–12 км от главной полосы обороны и 9 сентября задержал продвижение советских и чехословацких частей.

Чехословацкий корпус, долгое время находившийся в резерве, действовал крайне неудачно. «Развертывание корпуса проходило неорганизованно, — вспоминает Конев. — В частях, попавших под дальний артиллерийский огонь, произошло замешательство. Командир корпуса генерал Я. Кратохвил не организовал управление войсками корпуса в момент его ввода в сражение. Более того, сам он находился в 25 км от поля боя и проводил, как ни странно, в своем штабе пресс-конференцию с иностранными журналистами… корпус, хорошо укомплектованный личным составом, вооружением и боевой техникой, из-за личной неорганизованности Я. Кратохвила с первых же часов ввода в бой был поставлен в трудное положение». Разъяренный маршал прямо на поле боя принял решение об освобождении любителя давать интервью от занимаемой должности и назначении на его место командира 1-й чехословацкой бригады генерала Людвига Свободы. Сталин решение утвердил. За неспособность руководить войсками был отстранен от командования и генерал Аникушкин, командиром 25-го танкового корпуса стал полковник В.Г. Петровский.

На второй день наступления удалось продвинуться вперед на 2–6 км. Началась борьба в горных условиях, где основное значение для наступающих войск имели проходы и дороги.

Утром 10 сентября противник силами 1-й танковой дивизии и пехотных частей предпринял ряд контратак по правому флангу. Для их отражение командующий фронтом усилил фланг противотанковой артиллерией и передал в подчинение Москаленко из своего резерва 4-й гвардейский Кантемировский танковый корпус генерала П.П. Полубоярова — 103 танка Т-34, 28 ИС и 12 самоходно-артиллерийских установок СУ-85. На следующий день танкисты во взаимодействии с 67-м стрелковым корпусом выбили немцев из Кросно. В ночь на 12 сентября, нащупав не охраняемый немцами проход, двинулся в рейд 1-й гвардейский кавалерийский корпус. Генерал Баранов получил задачу Конева соединиться со словацкими партизанами и принять на себя командование районом восстания: «При встрече с повстанцами и партизанами объявляйте себя смело красным атаманом — командующим советскими войсками, действующими на территории Словакии». За ночь казаки углубились в тыл противника на 20 км и 13 сентября пересекли польско-словацкую границу. Однако дальше дело не пошло, немцам удалось закрыть прорыв, а выйти на оперативный простор Баранову не удалось. Теснимый со всех сторон противником, корпус перешел к круговой обороне, продовольствие и боеприпасы доставлялись ему по воздуху. Через десять дней кавалеристы прорвались обратно к своим; на этом закончилось участие в операции 1-го гвардейского кавалерийского корпуса.