В сложившейся обстановке было решено задержать наступление противника ударами авиации и тем самым создать условия для перехода в наступление против окруженной группировки в целях ее уничтожения. Вскоре над полем боя появились самолеты штурмовой авиадивизии. Их боевой работой руководил командующий 17-й воздушной армией генерал-полковник авиации В. А. Судец, находившийся в это время на командном пункте командира 4-го гвардейского механизированного корпуса. Самолеты группами по 12–24 машины наносили удар за ударом по немецким частям. Боевые порядки наступавших частей противника были расстроены. Подошедшие к месту боя советские и югославские части при поддержке артиллерии и авиации с ходу контратаковали врага и остановили его продвижение. Теперь можно было начать решительное наступление в целях уничтожения окруженного противника.
Во избежание излишнего кровопролития советское командование предъявило группировке Штетнера ультиматум о капитуляции. Германское командование отклонило его. Тогда во второй половине дня 18 октября советские войска и части югославской армии, поддержанные артиллерией и авиацией, перешли в наступление. Усиленная 21-я ударная дивизия НОАЮ, начавшая наступление еще до рассвета 18 октября, рано утром разбила противника на левом берегу реки Болечица и совместно с советскими частями вышла в район Болеча. Одновременно с этим части 74-й и 233-й стрелковых дивизий 75-го стрелкового корпуса Красной армии, сломив сопротивление противостоящего противника, вышли с востока в районы Врчина и Болеча, а соединения 4-го гвардейского мехкорпуса и части 73-й гвардейской и 236-й стрелковых дивизий, ведя наступление с северо-запада, вышли на рубеж Лештане, Болеч. К исходу дня сопротивление немцев в районе Болеча было сломлено. Противник понес большие потери. Только 21-я дивизия взяла в плен более 1100 немецких солдат и захватила 1500 автомашин, около 200 орудий разных калибров, много другого вооружения и имущества.
Особенно ожесточенный характер носили бои в районе горы Авала, где главные силы немцев настойчиво, с отчаянием обреченных стремились прорваться на запад, к реке Сава, Несмотря на большие потери, германское командование продолжало попытки прорвать фронт окружения. Немецким войскам удалось южнее горы Авала продвинуться к главному шоссе, но дальше они не прошли. Бригады из состава 6, 11, 23-й и 36-й дивизий НОАЮ и войска Красной армии прочно удерживали свои позиции. Остановленные перед горой Авала и главным шоссе и преследуемые войсками усиленной 21-й дивизии с направления Болеча, немцы к вечеру оказались в безвыходном положении. Потеряв к тому времени более 4 тыс. солдат, они ждали наступления темноты, чтобы под ее прикрытием еще раз попытаться выйти из окружения. Это удалось осуществить только одной группе, состоявшей из 4 тыс. солдат, в районе Шупли, Камен, южнее горы Авала.
В ночь на 19 октября германское командование предприняло еще одну внезапную атаку, пытаясь пробиться к юго-восточной окраине Белграда. Отдельным группам немцев удалось просочиться в район огневых позиций 212-го гаубичного артиллерийского полка, но здесь они были полностью уничтожены. Утром, после трехчасового артиллерийского обстрела и непрерывных ударов советской штурмовой авиации, противник начал сдаваться в плен. К исходу дня основная масса окруженных юго-восточнее Белграда немецких войск была ликвидирована. Таким образом, 18 и 19 октября юго-восточнее Белграда был завершен разгром группировки противника, насчитывавшей в своем составе с момента ее окружения до 30 тыс. человек.
Группа противника, которой удалось прорваться из окружения южнее горы Авала, предпринимала отчаянные попытки выйти к реке Сава и переправиться на левый берег. Но ее неотступно преследовали части 12-го ударного корпуса югославской армии. 20 октября она была отброшена от переправ на реке Сава, куда ей удалось пробиться, далеко на юг — к селу Конделево. В районе этого села группа войск противника, потерявшая во время прорыва около 1 тыс. человек убитыми и пленными, получив помощь от гарнизона города Шабац, прорвалась в город. Всего в Шабац вошло с боем около 12 тыс. немецких солдат и офицеров.
Одновременно ни на минуту не прекращались боевые действия и в самом городе. Наступая в течение 17 и 18 октября в направлении Калемегдана, 8-я Черногорская бригада 1-й Пролетарской дивизии вместе с частями Красной армии подошла к зданию гостиницы и делового центра «Албания», а 1-я Пролетарская бригада овладела зданием Народного театра и Домом ратников. Усиленная советскими танками 3-я Пролетарская бригада, развивая наступление к Дунаю, совместно с частями 236-й стрелковой дивизии ликвидировала очаг сопротивления противника в здании Первой мужской гимназии и, отразив несколько контратак немцев, овладела электростанцией на берегу реки.