Результаты этих учений были использованы в следующем году в ходе совместной англо-советской операции по оккупации Ирана с 25 августа 1941 г. по 17 сентября 1941 г. С советской стороны общее руководство операцией осуществлял генерал-лейтенант Д. Т. Козлов — командующий Закавказским фронтом, начальником штаба был Ф. И. Толбухин. В составе операции приняли участие 44-я, 45-я, 46-я, 47-я общевойсковые армии Закфронта, также фронту на время операции были приданы 53-я общевойсковая армия из состава Среднеазиатского военного округа и Каспийская военная флотилия. В то время как 45-я и 46-я армии прикрывали границы с Турцией, а 44-я и 53-я армии — советско-иранскую границу. Первый удар наносила 47-я армия, успех наступления которой развили 44-я и 53-я армия.
Прибытие маршала Толбухина в Бухарест, как председателя Союзной Контрольной Комиссии. Румыния, Бухарест, 1945 г.
С британской стороны во вторжении участвовали: 1-я танковая бригада, 3 пехотные дивизии и 1 пехотная бригада. Иранцы смогли противопоставить союзникам 3 дивизии на севере и 2 — на юге. Корабли Каспийской флотилии поддерживали действовавшие вдоль побережья войска, а 26 августа провели десантную операцию, в ходе которой у селения Хеви южнее города Астара были высажены 2500 человек из состава 105-го горнострелкового полка.
Несмотря на удобные оборонительные позиции, иранские войска оказывали незначительное сопротивление. Вскоре после начала ввода в Иран войск союзников произошла смена кабинета министров правительства Ирана. Новый премьер-министр Ирана отдал приказ о прекращении сопротивления, а на следующий день этот приказ был одобрен иранским парламентом. Уже 29 августа 1941 г. вооруженные силы Ирана сложили оружие перед англичанами, а 30 августа — перед Красной Армией.
8 сентября 1941 года было подписано соглашение, определявшее расположение союзнических войск на территории Ирана. Соглашение вступило в силу 9 сентября 1941 г. Фактически Иран был разделен на две оккупационные зоны, на британскую — южную, и на советскую — северную. Тегеран потерял политический и экономический контроль над страной. В годы Второй мировой войны СССР активно использовал полученные запасы продовольствия и нефтепромыслы, а также возникшую советско-британскую границу для получения поставок по ленд-лизу.
Эта операция была проведена хирургически точно, в первые дни военной горячки, когда на западе немцы неудержимо рвались вперед… А здесь, на территории Закавказья, военная машина работала бесперебойно, кадрированные в мирное время части четко разворачивались, адекватно укомплектовывались и безукоризненно выполняли боевые задачи. В считанные часы СССР смог вместе с Британией разделить и занять обширное государство, причем сделать это под боком отнюдь не дружественно настроенной Турции. Успех этой молниеносной и четкой работы военного механизма Закавказского фронта в немалой степени был обеспечен талантом и трудом начальника штаба Ф. И. Толбухина.
Лучшей характеристикой полководца являются слова, сказанные о нем его бывшими подчиненными через много лет после его смерти. Командовавший 444-й стрелковой дивизией, которая воевала в составе 57-й армии, находившейся под командованием Ф. И. Толбухина, генерал И. К. Морозов писал:
«С самого начала своих действий по прикрытию Сталинграда с юга и до перехода в наступление 20 ноября 1942 года, 57-я армия без шума, спешки, продуманно и организованно вела оборонительные и частные наступательные бои и операции. Мы называли ее армией порядка и организованности и любили ее командование за исключительно внимательное и бережливое отношение к людям, к воинам, в каком бы звании они ни были»
В дальнейшем Ф. И. Толбухин оставался на должности начальника штаба Закавказского фронта, преобразованного в декабре 1941 года в Кавказский фронт, а в январе — марте выделившегося из Кавказского фронта Крымского фронта. Войска фронта во взаимодействии с Черноморским флотом и Азовской флотилией с 25 декабря 1941 г. по 2 января 1942 г. провели крупную десантную операцию с целью овладения Керченским полуостровом и создания условий для освобождения Крыма. Замысел операции предусматривал одновременную высадку войск в районы Керчи и Феодосии, окружение и уничтожение группировки противника.
Встреча Маршала Советского Союза Толбухина в г. Плевен, 1945 г.
Толбухин внес большой вклад в планирование, организацию и обеспечение этой сложнейшей операции, в осуществление взаимодействия с силами флота и авиации, в управление войсками в ходе операции. К исходу 2 января 1942 г. войска Кавказского фронта очистили от врага Керченский полуостров. Это позволило отвлечь часть сил противника от Севастополя, предотвратить вторжение немецко-фашистских войск на Кавказ через Таманский полуостров, овладеть важным оперативным плацдармом в Крыму. По словам одного из ведущих военных теоретиков современной России генерала армии М. А. Гареева, «вследствие недостаточности твердости командующего фронтом Д. Т. Козлова, произвола и некомпетентного вмешательства представителя Ставки ВГК Л. 3. Мехлиса, управление войсками фронта было дезорганизовано. Мехлис, охаивая командование и штаб фронта, обратился к Сталину с просьбой прислать в Крым кого-либо из генералов типа Гинденбурга, не понимая того, что Гинденбург или Жуков, прибыв на этот фронт, первым делом потребовали бы убрать всякого рода мехлисов. Попытки Толбухина придать хоть какую-то плановость и организованность работе командования и штаба фронта привели к обострению отношений со своенравным Мехлисом. В результате Толбухин в марте 1942 г. был отстранен от должности и назначен заместителем командующего Сталинградским военным округом. Как и следовало ожидать, нарушение единоначалия и ряд других ошибок оперативного характера привели в мае 1942 г. войска Крымского фронта к страшной катастрофе».