Разрабатывая план штурма, советское и югославское командование учитывало, что наличными силами окружить город и уничтожить его довольно сильный гарнизон будет невозможно. Поэтому в основу замысла были положены быстрота и внезапность действий войск. Штурм крупного города объединенными силами требовал организации самого тесного взаимодействия между частями всех родов войск, а также между советскими и югославскими соединениями. Осуществить это взаимодействие на местности с советской стороны командующий фронтом поручил генерал-полковнику С. С. Бирюзову и генерал-полковнику артиллерии М. И. Неделину. На командном пункте 57-й армии генералы С. С. Бирюзов и М. И. Неделин вместе с генералами Н. А. Гагеном и В. И. Ждановым уточнили план штурма Белграда советскими войсками и все детали взаимодействия с войсками Народно-освободительной армии Югославии, организовали артиллерийское и авиационное обеспечение советских и югославских войск. С югославской стороны подготовкой штурма руководил командующий 1-й армейской группой НОАЮ генерал-подполковник Пеко Дапчевич, который совместно со своим штабом разработал план наступления на Белград войск Народно-освободительной армии Югославии. Утром 14 октября на совместном совещании командования 1-й армейской группы НОАЮ и 4-го гвардейского механизированного корпуса Красной армии в Яйнице были окончательно согласованы действия советских и югославских войск в наступлении на Белград.

Главный удар наносили 4-й гвардейский механизированный корпус, 230-я и 73-я гвардейская стрелковые дивизии, 1-я и 6-я Пролетарские дивизии, 5-я и 21-я ударные дивизии 1-го Пролетарского корпуса Народно-освободительной армии Югославии в направлении Банички-Вис, Аутокоманда, площадь Славия, крепость Калемегдан. Вспомогательный — 11, 16, 36-я и 28-я ударные дивизии 12-го корпуса югославской армии в общем направлении на Чукарица, Топчидер, Главный вокзал. Штурм города обеспечивали артиллерия и авиация 3-го Украинского фронта, а также корабельная артиллерия Дунайской военной флотилии.

В соответствии с приказом югославского командования 1-й Пролетарский и 12-й ударный корпуса построили свои боевые порядки в четыре колонны. Первую колонну составлял 12-й корпус (11, 16, 28-я и 36-я ударные дивизии) под командованием генерал-майора Данилы Лекича. Она имела задачу главными силами наступать вдоль правого берега Савы, через Чукарицу и Жаркого, на Главный вокзал и Савский мост. Во вторую колонну была выделена 6-я Пролетарская дивизия под командованием полковника Джоки Иованича с задачей наступать через Топчидер в направлении на Теразие и Калемегдан. В третью колонну вошла 1-я Пролетарская дивизия под командованием полковника Васо Йовановича, которая должна была прорвать оборону противника на южной окраине города и, наступая через Баницу, Дединье на площадь Славия, пробиться в центр города, выйти к Калемегдану. Четвертую колонну составляла 5-я ударная дивизия под командованием полковника Милутина Морачи. Она имела задачу продвигаться к Калемегдану с востока в полосе между улицей Короля Александра и правым берегом Дуная. В общий резерв выделялись 21-я ударная дивизия, которая под командованием полковника Милое Милоевича сосредоточилась севернее и восточнее Авалы, в районах сел Бели-Поток, Зуце, Лештане, и 23-я ударная дивизия 14-го корпуса под командованием подполковника Миладина Ивановича и политкомиссара Воина Поповича, которая занимала район южнее Авалы.

Боевой порядок советских войск был построен в два эшелона. В первом эшелоне наступал 4-й гвардейский механизированный корпус, во втором — 73-я гвардейская и 236-я стрелковые дивизии. В центре боевого построения находилась наиболее сильная 36-я гвардейская танковая бригада.

Войска поддерживали корпусная артиллерийская группа и авиация.

Для надежного подавления обороны противника при штурме города по указанию генерал-полковника М. И. Неделина была создана крупная группировка артиллерии. Следует заметить, что количество стволов в ней беспрерывно увеличивалось. Так, если в начале штурма в бою участвовало 300 орудий и минометов, то спустя два дня их количество возросло до 633.

Для успешного авиационного обеспечения штурма Белграда требовалось в кратчайший срок перебазировать соединения 17-й воздушной армии ближе к Белграду. Выполнением этой задачи, а также организацией взаимодействия авиации и наземных войск руководил лично командующий 17-й воздушной армией генерал-полковник В. А. Судец, вылетавший для этой цели на командный пункт командира 4-го гвардейского механизированного корпуса и в районы новых аэродромов. В результате усилий командиров всех степеней, от ответственных представителей высших штабов до командиров соединений и частей Красной армии и НОАЮ, все наиболее важные вопросы, от которых зависел успешный ход и исход штурма Белграда, были тщательно отработаны.

Для борьбы с противником в городе в танковой и механизированных бригадах корпуса создавались штурмовые отряды и штурмовые группы из пехоты, артиллерии, танков, минометов, огнеметных и саперных подразделений. Каждая из бригад сформировала по одному штурмовому отряду, а мотострелковые батальоны — по 1–2 штурмовые группы. Штурмовые отряды и группы получили задачу наступать впереди своих частей или соединений, расчищая им путь. Каждый штурмовой отряд или группа имели в своем составе по роте бойцов Народно-освободительной армии.

В период выхода частей корпуса на исходные позиции в полосе предстоящего прорыва была проведена разведка боем, в результате которой удалось уточнить начертание переднего края, выявить минные поля, разведать инженерные заграждения, противотанковые рвы, а также систему огня и силы обороняющегося противника.

Во второй половине дня 14 октября 1944 года мощный грохот советской артиллерии потряс окрестности Белграда. Более 300 орудий и минометов и 24 установки гвардейских минометов обрушили свой огонь на передний край обороны противника и его опорные пункты на южной окраине города. Как только отзвучал залп «катюш», известивший об окончании артиллерийской подготовки, советские и югославские войска пошли на штурм Белграда. Наступление развивалось стремительно, и уже к исходу дня оборона противника на городском оборонительном обводе была прорвана. Штурмующие части устремились в глубь города.

В направлении Баницы и Дединье наступали 1-я Пролетарская дивизия югославской армии, 36-я гвардейская танковая и 13-я гвардейская механизированная бригады 4-го гвардейского механизированного корпуса. Пехота противника, укрывшаяся в окопах и бункерах, поддерживаемая сильным артиллерийским и минометным огнем и танками, оказывала наступавшим яростное сопротивление. После многочасового боя оборона немецких войск была сломлена. К исходу дня Баница и Дединье были освобождены. В течение ночи 1-я Пролетарская дивизия вместе с 36-й гвардейской танковой бригадой продолжала наступать в направлении площади Славия через Аутокоманду, а части 13-й гвардейской механизированной бригады — в направлении ипподрома. Особенно сильное сопротивление немцы оказали в районе Аутокоманды, парка Караджорджа и квартала больничных зданий.

К вечеру 14 октября части и подразделения 6-й Пролетарской дивизии югославской армии атаковали противника в Топчидере и после продолжительного ожесточенного боя сломили его сопротивление и заняли железнодорожную станцию Топчидер. Немецкие части были вынуждены отходить на Сеньяк и Чукарицу. Отходя, они подожгли на станции склады боеприпасов и различного военного снаряжения. Продолжая наступление, части дивизии в течение ночи заняли Топчидерскую гору, а утром 15 октября ее 2-я и 3-я Ликские бригады достигли площади Мостар, после чего начали продвигаться по улицам Князя Милоша и Сараевской в направлении квартала зданий министерств. 1-я Ликская бригада после боя за Топчидер была направлена в Чукарицу с задачей оказать поддержку соединениям 12-го ударного корпуса.