После ослобођења западне и источне Србије и Шумадије уследила је Београдска операција, изведена у садејству јединица Народноослободилачке војске Југославије, под командом генерала Пека Дапчевића, и јединица Трећег украјинског фронта Црвене армије, којим је командовао генерал Владимир Жданов. Реч је о највећој операцији у којој се до тада ангажовала Народноослободилачка војска Југославије.
У непосредним борбама за ослобођење Београда учествовали су Прва армијска група у саставу девет дивизија, с 55.000 бораца и Четврти совјетски ојачани механизовани корпус с 17.022 војника, као и три стрељачке и једна гардијска дивизија, с по 7.500 војника. Напад су подржавали Девети авио-корпус Седамнаесте ваздухопловне армије и делови Дунавске речне флоте Црвене армије.
Београд и његово шире подручје бранила је корпусна група генерала Вилија Шнекенбургера са више од 30.000 војника. Немачка команда организовала је одбрану Београда у два одбрамбена појаса. Спољни појас одбране, с ослонцем на Саву и Дунав, организован је у виду полукруга у дужини око 30 километара линијом Остружница – Жарково – Кнежевац – Ресник – Пиносава – Авала – Винча, с истуреним положајима испред и иза те линије. Унутрашњи појас одбране формиран је на спољној ивици града и ослањао се на јако утврђена упоришта на Чукарици, Бановом брду, Кошутњаку, Дедињу, Бањичком вису, Коњарнику и Великом Врачару.
Скелет одбране чинило је шест добро утврђених одбрамбених рејона на простору Велики Врачар, шири рејон Калемегдана, Главна железничка станица са Савским мостом, Сењак, Чукарица и Баново брдо, Топчидер, Дедиње, Бањички вис и шири рејон Теразија према Немањиној улици и згради Скупштине, Главне поште и Техничког факултета.
Од 11. до 13. октобра јединице Народноослободилачке војске и Црвене армије пробиле су спољни појас одбране у рејону Авале. Фронталним ударом 14. октобра на Бањици и Дедињу пробијен је и унутрашњи одбрамбени појас, након чега су почеле борбе у самом граду. У периоду од 15. до 18. октобра савладана је немачка одбрана у рејону Карађорђевог парка, блока болничких зграда у Делиградској улици, Славије, Теразија, Главне поште, Техничког факултета, Скупштине, Ташмајдана, Старог двора, Немањине, улице кнеза Милоша, Главне железничке станице, Сењака, Чукарице и Топчидера.
Истовремено, из правца Смедерева пробијала се корпусна група генерала Валтера Штетнера с око 30.000 војника с намером да помогне немачким снагама у Београду. Због тога су југословенско-совјетске снаге образовале полукружну одбрамбену линију Врчин – Зуце – Лештане – Велики и Мали Мокри Луг – Велики Врачар. Након неуспешног покушаја пробоја, група генерала Штетнера упутила се према Авали где је 18. октобра разбијена. У наређењу команданта Београда Љубодрага Ђурића од 18. новембра наведено је да је „већи део нашег града одлобођен од фашистичке гамади“.
Ослобађање Београда завршено је у петак 20. октобра 1944, око 8 сати ујутру, чиме је пропао немачки план о формирању чврстог фронта на Балкану на линији Ђердап – Ниш – северна Албанија.