На момент битви радянська теорія глибокої операції була вже доволі добре відпрацьована командувачами РСЧА різних рівнів, її грізним знаряддям стали численні танкові корпуси, оснащені моторизованою піхотою на ленд-лізівському американському автотранспорті, оснащені середніми танками Т-34, Т-34–85, американськими M4 «Генерал Шерман», а також важкими радянськими ІС-2. Німці, відступаючи, робили ставку на активну оборону, зокрема протитанкову за допомогою штурмовиків. Слід відзначити участь у битві 14-ї української дивізії ваффен СС «Галичина».
13 липня 1944 р. після потужного артобстрілу та бомбардування німецьких позицій, війська 1-го Українського фронту перейшли у наступ на рава-руському напрямку. Оборонні лінії німців було прорвано, частини радянських 3-ї гвардійської та 13-ї армій просунулись на відстань до 20 км. З меншим успіхом наступали 60-та та 38-ма армії в напрямку на Львів, де німецькі танкові дивізії завдали контрудару. Проте і тут радянській 60-й армії вдалося створити вузький «Колтівський коридор» завдовжки 20 км та завширшки до 6 км, завдяки якому в тили німців почали просуватися частини 3-ї гвардійської танкової армії П. Рибалка, а потім і 4-та танкова армія Д. Лелюшенка. Радянська авіація бомбила німецькі позиції впродовж усього бою, активність люфтваффе була невисокою через брак пального. 16–17 липня обидві радянські танкові армії пройшли коридором під перехресним обстрілом ворога. Станом на 18 липня німецьку оборону було прорвано на ділянці 200 км, на 50–80 км вглиб. Утворився «Бродський мішок», до якого потрапили здебільшого частини 13-го армійського корпусу німців. Бої в оточенні та невдалі спроби виснажених німецьких танкових дивізій пробити кільце тривали до 22 липня, коли «мішок» було розрізано навпіл і знищено, хоча частина оточених вийшла малими групами.
Після знищення «мішка» під Бродами радянські армії відновили наступ на Львів та Перемишль. 23 липня радянські війська форсували річку Сян та захопили території навколо Ярослава. 1-ша гвардійська танкова армія Катукова, швидко наступаючи, опинилась на території Польщі, де взяла Люблін. 27 липня за підтримки польських повстанців радянські 3-тя гвардійська танкова, 60-та та 38-ма армії взяли Львів (не давши німцям зруйнувати місто) та Перемишль. На станіславському напрямку частини 1-ї гвардійської та 18-ї армій 24 липня взяли Галич, а 27 липня – Станіслав. Перша фаза битви скінчилася з виходом радянських військ на державний кордон СРСР зразка 1941 р. Німецька група армій була розрізана навпіл, її частини відступали до Вісли і Карпат. Наступна фаза полягала в захопленні 1-м Українським фронтом плацдармів на Віслі в районі Баранува – Шидлува – Сандомира та відчайдушних спробах німців витіснити радянські війська з цих плацдармів. Бої тут почалися 29 липня і тривали до 29 серпня з перемінним успіхом: плацдарм то розширювався, то звужувався, але ліквідувати його німцям не допомогли ні 501-й батальйон важких «Королівських тигрів», бездарно кинутий у бій без підтримки і наполовину знищений радянськими танками та артилерією під Оглендувом, ні інші танкові підкріплення, що їх отримав Харпе в ході боїв. 15 серпня радянські вояки взяли Сандомир і розширили плацдарм до 120 км завширшки і 50 км завглибшки. 29 серпня виснажені радянські війська остаточно зупинилися. Водночас усі подальші спроби 4-го Українського фронту І. Петрова прорвати угорсько-німецьку оборону в Карпатських передгір’ях були марними – 5 серпня було взято Стрий, 6 серпня – Дрогобич, 15 серпня наступ припинився.
За німецькими даними, загальні втрати вермахту та СС у битві становили до 137 тис. осіб, з них до 55 тис. убитими та полоненими. У «Бродському мішку» в оточення потрапило до 40–45 тис. осіб. З «мішка» пощастило вибратися до 6,8 тис. осіб, серед них до 1,5 тис. українців, решта загинула або потрапила в полон. Тяжкими (до кількох сотень) були втрати в танках, оточені дивізії втратили всю артилерію і міномети. Радянські війська дорого заплатили за свій безсумнівний успіх: 289 тис. осіб, з них 65 тис. – безповоротні втрати, також безповоротно втрачено 1269 танків і самохідних гармат, 289 літаків.