Сплошного фронта обороны противник на Вильнюсском направлении не имел и оказывал противодействие лишь отдельными подошедшими соединениями и остатками разбитых частей. Немецкое командование пыталось остановить продвижение советских войск на заранее подготовленном рубеже Даугавпилс - Вильнюс - Лида, где сосредоточивало отступавшие части 3-й танковой и 4-й полевой армии группы армий «Центр».

5 июля Третий Белорусский фронт начал наступление с ходу без перегруппировки сил. 7 июля соединения 5-й гвардейской танковой армии (командующий П. А. Ротмистров) и 3-го гвардейского механизированного корпуса (командующий В. Т. Обухов) подошли к городу и начали обходить его с юга и запада. 9 июля город был полностью окружен.

Противник, усиленный воздушным десантом, безуспешно пытался прорвать кольцо окружения. 10 июля советские части освободили всю северную часть Вильнюса и вступили в Старый город. После штурма последних очагов сопротивления 13 июля 1944 года Вильнюс был полностью освобожден.

В боях за город было уничтожено около 8000 и взято в плен около 5000 германских солдат и офицеров, захвачено 156 орудий, много танков, автомашин и другой военной техники, оружие и боеприпасы. Двадцать наиболее отличившихся в боях частей и соединений фронта удостоены почетного наименования «Виленский».