Так как труднопроходимая лесисто-болотистая местность на Карельском перешейке затрудняла широкое применение тяжелой боевой техники, Говоров решил нанести главный удар силами 21-й армии генерал-лейтенанта Д.Н. Гусева на приморском направлении — вдоль северовосточного побережья Финского залива. Это позволяло широко использовать морскую артиллерию для прорыва обороны противника и высаживать десанты с моря в помощь войскам, наступавшим на Выборг. 23-я армия генерал-лейтенанта А.И. Черепанова переходила в наступление после выхода войск генерала Гусева на рубеж реки Сестра. Овладеть Выборгом планировалось на 9–10-й день операции. Подавляющая часть сил фронта сосредоточивалась на участке прорыва протяженностью 12,5 км.

Три армии Ленинградского фронта, сосредоточенные на Нарвском участке, получили приказ активизировать свои действия и не допустить переброски немецких войск из Прибалтики на Карельский перешеек. В случае использования германским командованием части сил 20-й горной армии для помощи финнам предусматривался переход в наступление советских войск севернее Беломорска.

Балтийский флот до начала операции должен был скрытно перебросить из района Ораниенбаума на Карельский перешеек войска 21-й армии в составе пяти дивизий, а затем огнем морской артиллерии и авиацией содействовать им в развитии наступления, прикрывать приморский фланг, срывать подвоз подкреплений и снабжение финской армии, быть готовым к высадке тактических десантов. Ладожская военная флотилия под командованием контр-адмирала B.C. Черокова получила задачу огнем корабельной артиллерии и демонстрацией высадки десанта содействовать правому флангу 23-й армии.

Действия сухопутных частей поддерживали 13-я воздушная армия (966 самолетов), два гвардейских истребительных авиаполка ПВО и авиация КБФ (475 самолетов) и более 200 машин авиации дальнего действия. В результате сосредоточения сил и средств на правом крыле Ленинградского фронта советские войска превосходили противника по пехоте в 2 раза, по артиллерии и танкам в 6, по авиации в 8 раз. На направлении главного удара превосходство было абсолютным.

9 июня, за день до начала операции, артиллерия Ленинградского фронта совместно с береговой и корабельной артиллерией в течение 12 часов разрушала наиболее прочные оборонительные сооружения в первой полосе обороны противника. На 20-километровом участке фронта перед позициями 21-й армии плотность огня сухопутной артиллерий достигала 200–220 орудий и минометов. От флота сведенные в четыре артиллерийские группы огонь вели шесть батарей Кронштадта, тринадцать батарей железнодорожной артиллерии, два орудия Научно-испытательного морского артиллерийского полигона, орудия линкора «Октябрьская революция» и двух крейсеров. Всего — 174 орудия, в том числе 35 орудий калибра 203–406 мм. При этом, как отмечает генерал-майор С.Т. Шевченко, бывший работник штаба береговой обороны КБФ, группам артиллерии флота впервые за войну «были поставлены задачи в самом общем виде в отличие от прежних операций, когда планы огня разрабатывались до батарей включительно. Такое планирование стало возможным вследствие возросшей культуры в работе штабов, повышения мастерства офицеров-артиллеристов». Для этого понадобилось «всего» три года истребительной войны.

В это же время 720 самолетов 13-й воздушной армии генерала С.Д. Рыбальченко и авиации флота, которой командовал генерал М.И. Самохин, наносили сосредоточенные бомбовые удары и осуществляли корректировку артиллерийского огня.

Из 189 запланированных целей в полосе нанесения главного удара было полностью разрушено 176 оборонительных сооружений противника.

10 июня в 6 часов утра артиллерия и авиация приступили к подготовке наступления сухопутных войск. В ней участвовали 3 эсминца, 4 канонерские лодки, 21 артиллерийская батарея Кронштадтского района и батареи Ижорского сектора береговой обороны, 15 батарей 1-й гвардейской морской железнодорожной артиллерийской бригады. Массированные удары были нанесены по финским опорным пунктам в районе Старый Белоостров — озеро Светлое — станция Райяйоки, разрушив и повредив до 70% полевых оборонительных укреплений. Корабельная и береговая артиллерия наносили удары по району Райвола—Олила.

За 3 часа 15 минут было проведено шесть налетов по главной полосе обороны с чередованием методического огня. В результате только на небольшом участке в районе Белоострова были уничтожены 130 дотов, дзотов, бронированных колпаков и других сооружений. Почти все проволочные заграждения были снесены, противотанковые препятствия разрушены, минные поля уничтожены, траншеи вспаханы, причинен большой урон в живой силе. Советская авиация безраздельно господствовала в воздухе.

В результате финская оборона в первой полосе была дезорганизована, потери в некоторых частях достигли 70%. Поэтому, когда советская пехота и танки, следуя за огневым валом, двинулись в атаку, противник не смог сразу оказать организованного сопротивления. Войска генерала Гусева в первый же день прорвали первую полосу обороны, с ходу форсировали реку Сестра и продвинулись на 14 км вдоль Выборгского шоссе.

Говоров усилил 21-ю армию 108-м стрелковым корпусом из резерва фронта. 97-й стрелковый корпус из 21-й армии был передан в состав 23-й армии, войска которой перешли в наступление 11 июня. К исходу дня 97-й и 98-й стрелковые корпуса армии Черепанова вели бои на рубеже Терлолово—Хирели. 21-я армия силами 30-го гвардейского корпуса овладела Хирели, Матилла и вела бой за Икола. На левом фланге 109-й корпус занял Келломени, Райволу и Териоки. Первая полоса обороны была преодолена на 40-километровом фронте.

В этих боях полностью была разгромлена 10-я финская пехотная дивизия. Ее остатки отвели в тыл для пополнения и переформирования. Маннергейм приказал немедленно начать переброску на Карельский перешеек 4-й пехотной дивизии и 3-й пехотной бригады из Восточной Карелии. 12 июня он отправил на Карельский перешеек 17-ю дивизию и 20-ю бригаду.

К исходу дня 13 июня соединения 21-й армии вышли ко второй полосе обороны, но прорвать ее с ходу не смогли, так как противник успел занять ее оперативными резервами и частями, отошедшими с первой полосы обороны.

Учитывая, что главная группировка финских войск сосредоточилась в полосе Выборгского шоссе, Говоров решил перенести направление главного удара на левый фланг — вдоль Приморского шоссе. В состав 21-й армии был передан из резерва фронта 110-й стрелковый корпус и перегруппировано около 110 артиллерийских дивизионов.

На рассвете 14 июня, после мощной артиллерийской подготовки, советские войска начали штурм второй полосы обороны. Атаки на побережье Финского залива были отбиты. Бои носили исключительно ожесточенный характер. Но у деревни Куутерселькя 1-я гвардейская танковая бригада, совершив маневр в обход этого важного узла сопротивления, сумела прорвать фронт. Ночью финны ввели в бой танковую дивизию под командованием генерал-майора Лагуса. Однако к утру она была разбита и отброшена на 5 км к северу. Финны потеряли 25 машин Т-26. Этим было положено начало прорыву второй полосы.

К 16 июня советские войска расширили прорыв до 75 км и продвинулись более чем на 40 км, выйдя на приморском направлении к третьей полосе обороны. Маннергейм отдал приказ финским войскам отступить и занять линию Выборг—Купарсаари—Тайпале. В этот же день маршал принял тяжелое, но единственно правильное решение о сдаче практически без боя хорошо укрепленных карельских рубежей и сосредоточении основных сил на Карельском перешейке для прикрытия важнейших жизненных центров страны. Правый фланг 4-го армейского корпуса к этому времени был отброшен к водному рубежу Финский залив — озеро Куолемаярви — озеро Пэркярви, где 4-я дивизия генерал-майора Аути, прибывшая из Восточной Карелии, сдерживала советские войска на направлении главной железной дороги в ожидании того, как сложится обстановка на направлении Кивеннапа. Там, в 25 км к югу, на линии Ваммелсуу—Тайпале сражалась 3-я дивизия генерал-майора Паяри. Над ней нависла угроза окружения, и дивизию отвели на правый фланг.