В ночь на 2 октября торпедным катерам не удалось высадить у Хельтерма разведывательную группу из-за сильного огневого противодействия. Утром удар по нему нанесла вызванная штурмовая авиация 13-й воздушной армии. В 8.30 катера южной группы, вышедшие из Рохукюла, прикрываясь дымовой завесой, на максимальной скорости прорвались сквозь заградительный огонь противника и высадили в гавань Хельтерма отряд из 635 человек, а затем приступили к перевозке 109-го стрелкового корпуса. Северная группа высадочных средств сюда же перебросила десант, который предполагалось высадить у мыса Тяхванина. Стремительное наращивание сил первого броска ошеломило немцев, и они стали отходить от пристани. Через час после высадки первого броска началась высадка первого эшелона десанта и средств усиления в составе артиллерийского полка. К вечеру на острове была уже вся дивизия. В воздухе непрерывно висели советские штурмовики, поддерживая пехоту и подавляя огневые точки. Четыре быстроходные баржи противника пытались вести огонь по десанту с Кассарского плеса, но атакованные авиацией и торпедными катерами были вынуждены ретироваться.

Немцы отступили к дамбе на остров Кассар и к бухте Орьяку и в ночь на 3 октября эвакуировали свои основные силы на Сарему. Некоторое время противник еще удерживал небольшой участок на южной оконечности острова, но к исходу 3 октября высаженные войска полностью овладели Хиума.

Создались благоприятные условия для освобождения наиболее крупного острова архипелага — Сарема. Войска 8-й армии были сосредоточены: 8-й Эстонский корпус — на острове Муху и в районе Виртсу; 109-й стрелковый корпус — одна дивизия на Хиума и одна дивизия в Рохукюла. Чтобы не терять темп и затруднить противнику оборону, адмирал Святов и генерал Стариков наметили следующий план действий: вторжение на Сарема произвести с рассветом 5 октября; главный удар наносит Эстонский корпус с острова Муху, переправляясь через пролив на амфибиях, армейских понтонах и по Ориссарской дамбе; 109-й стрелковый корпус производит высадку десантов одновременно в Талику й Триги и наносит вспомогательный удар с севера и северо-востока. Второй вспомогательный удар должен был наноситься высадкой десанта на юго-западной оконечности острова Сарема в районе мыса Кейгусте, с задачей перехватить шоссе Муху— Курессаре. Этот десант в составе одного эстонского батальона перебрасывался на торпедных катерах. На подготовку к вторжению отводились одни сутки.

К этому времени противник усилил гарнизон 218-й пехотной дивизии. Сюда же переправились части с островов Муху и Хиума. Наиболее десантнодоступные пункты побережья прикрывались оборонительными сооружениями.

За час до рассвета 5 октября артиллерия 8-го Эстонского корпуса начала артиллерийскую подготовку, обрушив шквал огня на позиции противника в районе предполагаемой высадки и у Ориссарской дамбы. Одновременно штурмовые батальоны на 70 амфибиях начали переправу через пролив Вяйке-Вяйн.

В это же время из Рохукюла к острову подошел первый бросок десанта 131-й стрелковой дивизии генерал-майора Романенко. Немцы ожидали атаки с этого направления и особенно сильно укрепили пристани Триги и Талику, но Бог в этот день был на стороне русских. Из-за ошибки счисления катера не дошли до Талику и начали высадку на необорудованный берег, где, как выяснилось, у противника оборона вовсе отсутствовала. В результате первый бросок десанта, состоявший из 250 бойцов, был высажен без потерь. Штурмовые батальоны, оказавшись на берегу, стремительным ударом во фланг смяли оборонявшиеся части немцев и отбросили их от Талику. Через час началась высадка основных сил дивизии Романенко. В 9.30 весь первый эшелон десанта — два стрелковых полка при 56 орудиях — был на берегу и занял плацдарм размером 4 км по фронту и 3–4 км в глубину.

Войска Эстонского корпуса, преодолев пролив, атаковали Ориссарскую дамбу с тыла и овладели ею. В короткий срок саперы восстановили разрушенную часть дамбы, и основные силы корпуса начали быстро переправляться по ней и развивать наступление на запад. К исходу дня в районе Талику был высажен второй эшелон 109-го стрелкового корпуса, который также устремился на запад, ломая сопротивление 23-й немецкой пехотной дивизии и батальона «Остланд». Противник был вынужден поспешно отходить в глубь острова по направлению к Курессаре. К исходу дня части двух десантов соединились и создали единый фронт наступления. Высадка десанта в бухте Кейгусте не была произведена из-за отсутствия горючего для торпедных катеров.

Вечером, заслушав телефонный доклад об успешном развитии операции, Говоров приказал 6 октября полностью очистить остров от противника, установить на его южной оконечности дальнобойную артиллерию и не допускать прохода вражеских транспортов через Ирбенский пролив к Риге.

Все силы флота сосредоточились на переброске войск и техники. Из Виртсу в Куйвасту с помощью 200 -тонного понтона, принимавшего 6–8 машин, перебрасывались танки и самоходные орудия. Затем через дамбу танки следовали своим ходом на Сарема к месту боев. Воздушную поддержку оказывали 9-я и 11-я штурмовые авиационные дивизии. Однако темп наступления замедлился. Фронт обороны противника сокращался, плотность боевых порядков и огневых средств увеличивалась, и сопротивление росло. К вечеру 7 октября части Эстонского корпуса овладели Курессаре, но, утомленные восьмисуточными боями, задержались в городе до утра и не преследовали противника ночью, что позволило ему оторваться и занять оборону на полуострове Сырве. Учитывая его исключительно важное значение для прикрытия морских подступов к Курляндскому полуострову и рижскому плацдарму, немцы заблаговременно подготовили оборону Сырве, создав пять полос с использованием довоенных советских фортификационных сооружений.

Попытки с ходу прорвать эту глубоко эшелонированную оборону 10–14 октября успехом не увенчались. Повторный штурм, предпринятый 19–23 октября, также провалился. На фронте протяженностью 3 км немцы установили 423 артиллерийских орудия и 116 минометов, противотанковые надолбы, густые минные поля. В лобовых атаках советские войска понесли значительные потери. Заслушав доклады о сложившейся обстановке, маршал Говоров приказал прекратить атаки и подготовить грамотный прорыв с предварительной разведкой и сосредоточением сил.

Подготовка к решающему разгрому немцев на полуострове Сырве заняла почти месяц. Борьба приняла позиционный характер. Советские атаки сменялись контратаками противника. Были предприняты две попытки высадить тактические десанты немцам во фланг, но обе успеха не имели.

Немцы за этот период перебросили на Сырве штрафной батальон, полк 215-й пехотной дивизии и другие части, а также ввели в Ирбенский пролив легкие силы флота: самоходные баржи, торпедные катера, эсминцы и крейсера. Крупные артиллерийские корабли неоднократно обстреливали советские войска с моря. Сухопутные части реагировали на это очень болезненно, так как ответить им было нечем, а нелетная погода не всегда позволяла авиации обнаружить и атаковать противника. Пришлось срочно перебросить на Сарема 18-й подвижный дивизион береговой артиллерии, имевший на вооружении 130-мм орудия. Всего за октябрь, обеспечивая перегруппировку и сосредоточение войск, Балтийский флот перебросил 74 тысячи солдат и офицеров, 150 танков и САУ, 730 орудий и 530 минометов, 3 тысячи автомашин и 43 тысячи тонн различных грузов.

15 ноября 8-я армия и части флота были готовы к проведению заключительного этапа операции: на каждый километр фронта, который предстояло прорвать, теперь приходилось 224 артиллерийских и минометных ствола, 120 танков и самоходных установок. Однако штормовая и нелетная погода не позволяла использовать авиацию и катера. Наконец, в 10 часов 18 ноября 925 стволов армейской и морской береговой артиллерии открыли огонь по огневым позициям и укрытиям противника, к ним присоединились 3 канонерские лодки и 8 бронекатеров, а также бомбардировочная и штурмовая авиация. Огневая подготовка длилась полтора часа. В 12 часов стрелковые подразделения при поддержке войсковой и корабельной артиллерии, танков и самоходных установок, преодолевая ожесточенное сопротивление противника, начали продвигаться в глубь полуострова Сырве. Немцы держались шесть суток. 21 ноября под прикрытием огня корабельной артиллерии они начали эвакуацию гарнизона с полуострова Сырве в Виндаву. 24 ноября Моонзундские острова были целиком в советских руках.

Освобождение архипелага имело важное значение: корабли Балтийского флота получили возможность контролировать Финский и Рижский заливы, в результате чего создавалась непосредственная угроза левому флангу немецких войск; Балтийский флот получал возможность развернуть активные действия на коммуникациях противника в средней и южной части Балтийского моря.