见劝降失败，苏军开始集中火箭炮对天长山阵地进行猛烈轰击。在前两次陪嘎丽娅上山谈判的过程中，一名苏军军官暗中仔细观察了要塞的堡垒位置并绘制出了详细的坐标图，从而为炮击提供了准确的依据。
在天长山阵地被包围的第六天，苏军步兵和坦克冲进了已遭到毁灭性摧毁的阵地，阵地上仅有二十六名日本兵投降，其余均被杀或自杀。
鉴于第五集团军在绥芬河受到牵制，梅列茨科夫决定变更作战部署，他将第五集团军的部分炮兵和步兵集团配属给第二十五集团军、红旗第一集团军，从而使得后两个集团军变身成为进攻方向上的两把尖刀。
8月10日，第二十五集团军完成对东宁和东兴要塞的迂回封锁，集团军主力前出至东宁—图们铁路线。部分兵力在太平洋舰队舰炮的支援下，强渡珲春河和图们江，突击了靠近朝鲜边境的日军工事。
日军指挥机构原本指望第一道防线能够起到较大作用，使苏军主力受到重创，或至少受阻若干时间。如此，关东军总部和第一方面军才能够腾出手来，从牡丹江、汪清一带准备并实施强有力的反击。
在苏军主力绕过绥芬河、东宁等要塞之后，这一打算已完全落空。当天晚上，日军第一方面军司令官喜多下令将方面军司令部移往牡丹江市西南的敦化，敦化与原驻地牡丹江相距多达一百七十公里。
第五军司令官清水也急忙调整部署。他分别调来第一二六师团、第一三五师团，在牡丹江以东仅五公里处的掖河（即今铁岭河）附近增设了一道防线。
眼看日军正面的抵抗能力已大为削弱，红旗第一方面军司令员决定加大任务纵深，以便争取在最短的时间内强渡穆棱河。8月10日拂晓，苏军对密山要塞展开进攻。战斗中，工兵瓦西里奉命消灭一个永备火力点。在扔完手中的集束手榴弹后，他突然扑过去，用胸膛堵住了射孔。
瓦西里的壮举被认为是苏军攻下密山要塞的一个重要因素，事后他因此被授予了“苏联英雄”的称号。事实上，苏军士兵舍身堵枪眼的例子在远东战役中并不少见，有西方学者研究认为，这与苏军嗜饮伏特加且战前也要喝酒有关——在苏德战场上，苏军士兵就常常仗着几百克伏特加的酒劲，以极其无所谓的态度迈向死亡，当时连德军都对此感到惊愕不已。
抛开舍身堵枪眼的行为，是否真的会对整个战斗过程具有决定性作用不谈，西方的这种分析显然对苏联红军作为党军的特点，做了有意无意的忽略。在过去的沙俄军队中，率领部队前进的是现役军官，在部队中这些军官越多，它的战斗力越强。苏军则不同，站在部队前头的已经不是现役军官，而是共产党员和共青团员。这样苏军呈现出的特点就是党团员越多，战斗力越强。
根据苏联公布的资料，苏联远东军中党团员人数超过八十八万，占全军总人数的一半以上，舍身堵枪眼的“苏联英雄”也几乎都是清一色的党团员。
<h4>雪上加霜</h4>
苏军的狂飙突进和己方军事部署的临时调整，令前线日军更加慌乱。一乱就特别容易出错，正在穆棱构筑防线的第一二四师团长椎名正健为了阻挡苏军的进攻，急急忙忙地下令炸掉了穆棱河的大桥。结果，从绥芬河要塞逃出的日军残部无法过河，从要塞转移出来的一批重型装备都只能扔在东岸，其中包括防守时急需的几门新式榴弹炮。
同样的情况也发生在牡丹江重炮联队。清水将这支特种部队临时配属给第一二四师团使用，可是重炮联队没有牵引车可运送大炮。害怕大炮落入苏军之手，联队不得不忍痛将所有的六门重炮予以炸毁。
相比于苏军，日军的火力本来就偏弱，一下子又损失了这么多大炮，真可谓是雪上加霜。
第一二四师团的炸桥之举并没有能够使红旗第一集团军放慢进攻节奏。8月10日下午，进展最为顺利的步兵第二十六军新编了一个军先遣支队。先遣支队由坦克旅、自行火炮连、冲锋枪连和工兵排编成，行动极为迅速。他们很快就渡过穆棱河，在摧毁一个日军支撑点后，突入了穆棱东北郊。
日军从第一二六师团调动了约一个步兵联队的兵力，凭借已有的防御阵地进行抵抗。此时，苏军的轰炸机部队开始发威。
由于日军的火炮口径远远比不上苏军，其仅有的高射炮阵地事先已被摧毁，加之空中又缺乏日军航空兵的保护，这使得苏军轰炸机如入无人之境，可以随心所欲地对地面火炮、防御工事实施打击。
先遣支队的T-34坦克亦不遑多让，轰炸机料理不到的空白之处，都由它们来填补，日军的火力点逐一被其击毁。
城外的防御阵地守不住，日军只得撤入城内。晚上8点，苏军的另外两支师属先遣支队也兵临城下。
一个小时后，苏军从东、北、南三面同时发起攻击，从而一举拿下了穆棱。在穆棱之战中，士兵齐甘科夫的表现最为出色。当时他正作为一名冲锋枪手，搭乘一辆T-34坦克往前推进，途中，他和战友遭到了一个小队的日军的袭击。