В отличие от советской операции в Маньчжурии, захват важных портов Маоки и Отомари осуществлялся по плану, явно составленному наспех. Задача по взятию этих портов была поручена десанту под руководством полковника С. Е. Захарова из 113-й стрелковой бригады 16-й армии Второго Дальневосточного фронта и кораблям Тихоокеанского флота под командованием капитана 1-го ранга А. И. Леонова. Спешно собранный десант вышел из Советской Гавани в ночь с 18 на 19 августа [Славинский 1993: 61; Glantz 2003: 258–260].

Как только первые части советского десанта высадились в Маоке, они немедленно открыли огонь по безоружному гражданскому населению, собравшемуся в порту в ожидании эвакуации на Хоккайдо. Люди начали в страхе разбегаться во все стороны. К полудню советские войска с легкостью овладели портом и выдвинулись в город, продолжая расстреливать мирных жителей. Видя это, японские солдаты открыли огонь по русским, в результате завязалась перестрелка. Однако к двум часам дня город был полностью под контролем советских войск. В 19:30 начальник японского гарнизона отправил к противнику парламентеров для переговоров о прекращении огня, но прежде, чем они успели дойти до советского командного пункта, по ним начали стрелять и убили всех, кроме одного [Hattori 1965: 975; Nakayama 1995: 137–144][478].

После захвата Маоки русским оставалось занять только ключевой порт Отомари. Отряд Захарова выдвинулся к Отомари по суше, следуя вдоль железной дороги. Капитан Леонов получил приказ организовать высадку десанта в Отомари утром 24 августа. Однако как только корабли Леонова вышли из бухты Маоки, начался сильный шторм, который длился всю ночь с 23 по 24 августа и помешал советской флотилии войти в пролив Лаперуза. У русских не осталось другого выхода, как высадиться в Хонто (сейчас – Невельск) на западном берегу острова [Славинский 1993: 62; Glantz 2003: 273–274]. Переждав шторм, Леонов отплыл к Отомари 24-го числа. 25 августа советские войска атаковали Отомари с моря и с суши. Порт был взят, и в тот же самый день 53-й стрелковый корпус захватил Тоёхару. 26 августа командование 5-го фронта приказало всем японским вооруженным силам на Сахалине сложить оружие. Сахалинская операция была завершена, но на четыре дня позже, чем планировал Василевский.

Все это время Соединенные Штаты придерживались той позиции, что Советский Союз имеет полное право вернуть в свой состав Южный Сахалин, и потому не выдвигали никаких возражений против проведения этой операции. Однако советское руководство спешило с завершением оккупации южной части Сахалина не только потому, что хотело быть единоличным владельцем этого острова, но в большей степени для того, чтобы подготовиться к следующему этапу операции против Японии: захвату Курил и Хоккайдо.