С 5 по 20 июля 1944 года войсками 3-го Белорусского фронта проводилась Вильнюсская наступательная операция в рамках второго этапа стратегической Белорусской наступательной операции. В наступлении принимали участие 11-я гвардейская армия, 5-я, 31-я, 39-я армии, 5-я гвардейская танковая армия и 1-я воздушная армия.
Карта-схема Вильнюсской наступательной операции.
Сплошного фронта обороны противник на Вильнюсском направлении не имел и оказывал противодействие лишь отдельными подошедшими соединениями и остатками разбитых частей. Немецкое командование пыталось остановить продвижение советских войск на заранее подготовленном рубеже Даугавпилс — Вильнюс -Лида, где сосредоточивало отступавшие части 3-й танковой и 4-й полевой армии группы армий «Центр». Вильнюс являлся важным железнодорожным узлом и последним крупным опорным пунктом германских войск на подступах к Восточной Пруссии. Его гарнизон насчитывал 12-15 тысяч солдат и офицеров, кроме того, в ходе боевых действий эта группировка была усилена за счёт вновь прибывших соединений. В городе было сосредоточено 320 артиллерийских орудий, около 420 пулемётов, несколько десятков танков.
Большую роль в Вильнюсской операции сыграла 1-я воздушная армия. Особенно активными были действия авиации с 7 по 13 июля. Непосредственно перед штурмом города 163 самолёта Пе-2 и 51 Ил-2 нанесли бомбоштурмовой удар по основным узлам сопротивления противника. 5 июля Белорусский фронт начал наступление с ходу без перегруппировки сил. 7 июля соединения 5-й гвардейской танковой армии и 3-го гвардейского механизированного корпуса подошли к городу и начали обходить его с юга и запада. Передовые части 35-й гвардейской танковой бригады и 3-го механизированного корпуса прорвались на окраины города, однако встретили ожесточённое сопротивление и в результате германских контратак были вынуждены отступить.
В ночь на 8 июля к Вильнюсу были подтянуты новые германские части; в город прибыл новый комендант генерал Райнер Штагель с приказом удержать город до подхода резервов. Утром 8 июля в бои за город вступили соединения 5-й армии. При поддержке артиллерии и танков они перерезали железную дорогу в полукилометре от вокзала, заняли аэродром, Паняряй и вышли к юго-западным окраинам Вильнюса. Другие части обошли город с севера и, переправившись через Вилию, повели наступление на северо-западных подступах к Вильнюсу.
9 июля части 5-й гвардейской танковой армии и 3-го механизированного корпуса во взаимодействии с соединениями 5-й армии окружили Вильнюс и начали бои на улицах города. Противник, усиленный воздушным десантом, высаженным 10 июля в районе леса Погрудас, безуспешно пытался прорвать кольцо окружения. В 40 км к западу от города была сосредоточена ударная группировка (полк мотопехоты, 150 танков и штурмовых орудий), которая на протяжении трёх дней вела безуспешные атаки из районов Майшогалы и западнее Вевиса для деблокирования окружённого гарнизона.
Капитуляция Вильнюсского гарнизона.
Красноармейцы в освобождённом Вильнюсе.
10 июля советские части освободили всю северную часть Вильнюса и вступили в Старый город. На башне Гедимина было поднято красное знамя. В тяжёлых боях 12 июля германские войска были выдавлены из центра города на западные окраины. Основная группировка была рассечена на две части. Одна была прижата к реке Вилии в районе Лукишкес, другая — в районе парка Вингис. Вечером 12 июля генерал Штагель отдал приказ остаткам своих частей в 21 час оставить город, форсировать Вилию и отступать в северо-западном направление и сам с группой офицеров оставил Вильнюс. После штурма последних очагов сопротивления 13 июля 1944 года Вильнюс был полностью освобождён. В боях за город было уничтожено около 8000 и взято в плен около 5000 германских солдат и офицеров.
В боях за Вильнюс участвовали и части польской Армии Крайовой, с 7 июля осуществлявшие независимую операцию «Острая Брама»; после освобождения города её бойцы были интернированы. В освобождении Вильнюса принимали участие также 11 отрядов советских литовских партизан, объединённых в Вильнюсскую партизанскую бригаду. Партизаны помогали войскам в боях на южной окраине города и в районе железнодорожной станции. В результате Вильнюсской операции были созданы условия для выхода войск Третьего Белорусского фронта к границам Восточной Пруссии.