Её главной целью был разгром немецких войск в Прибалтике и освобождение Эстонии, Латвии и Литвы. Битва за Прибалтику включала в себя четыре фронтовые и межфронтовые операции: Рижскую, Таллинскую, Моонзундскую и Мемельскую. Сражение длилось 71 день, ширина фронта достигала 1000 км, а глубина — 400 км. Прибалтийская операция завершилась поражением германской группы армий «Север», образованием Курляндского котла и освобождением от немецкой оккупации трёх прибалтийских республик.
Согласно плану, разработанному Ставкой ВГК, войска 1-го, 2-го и 3-го Прибалтийских фронтов должны были ударом на Ригу отрезать основную часть сил группы армий «Север» от Германии, а затем, во взаимодействии с войсками Ленинградского фронта и силами Краснознаменного Балтийского флота полностью уничтожить группу армий «Север».
Численность группировки советских войск составляла более 1,5 млн. человек; их поддерживали 3080 танков и самоходных орудий, около 17 тыс. орудий и минометов и 2640 боевых самолетов. Хотя в летних боях противник понес серьезные потери, группа армий «Север» продолжала оставаться серьезной силой. Она включала 3-ю танковую, 16-ю и 18-ю полевые армии, а также армейскую группу «Нарва». На 1 сентября в частях группы армий «Север» находилось 730 тыс. человек, 7 тыс. орудий и минометов, 1216 танков и самоходных орудий, около 400 самолетов. Осознавая стратегическую важность Прибалтики, противник собирался упорно оборонять ее территорию.
Наступление советских войск началось 14 сентября. Все три Прибалтийских фронта наносили удары на Ригу с северо-востока, востока и юга. В первый же день 43-я армия 1-го Прибалтийского фронта прорвала оборону противника и уже 16 сентября вышла к реке Даугава в 20 км от Риги. Однако здесь противник собрал значительные силы, в т. ч. большое количество танков, что позволило ему нанести по частям 43-й армии мощный контрудар. Ожесточенные бои длились с 16 по 22 сентября, но бойцы смогли удержаться на достигнутых рубежах. 2-й и 3-й Прибалтийские фронты не смогли прорвать оборону противника и медленно теснили его в направлении Риги.
Бои на рижском направлении приняли затяжной характер, и 24 сентября Ставка ВГК решила перенести направление главного удара с Риги на город Мемель (ныне Клайпеда). 17 сентября в наступление перешли войска Ленинградского фронта. Маршалу Л. А. Говорову удалось скрытно и в кратчайшие сроки перебросить в район Тарту 2-ю ударную армию. Появление здесь крупных сил Красной Армии стало полной неожиданностью для гитлеровского командования. Дивизии 2-й ударной армии успешно преодолели оборону противника и с боями устремились к Финскому заливу, выходя в тыл основным силам группы «Нарва».
Преследуя отступающего противника, 22 сентября части 8-й армии освободили Таллин, а 2-я ударная армия продолжала успешно наступать на Пярну. К 27 сентября вся материковая часть Эстонии была освобождена. 26 сентября 8-я армия начала операцию по освобождению островов Моонзундского архипелага. Гитлер требовал удерживать эти острова во что бы то ни стало. Враг оборонялся с упорством обреченных. Лишь 7 октября советским войскам удалось освободить большую часть острова Сааремаа. Остатки немецкого гарнизона отошли на укрепленный полуостров Сырве в юго-западной части острова и оборонялись там до 24 ноября. Таким образом, Эстония была полностью освобождена.
Пока шли бои за острова, советское командование, воспользовавшись тем, что основные силы немцев стянуты под Ригу, нанесло силами 1-го Прибалтийского фронта мощный удар в направлении Мемеля. Наступление началось 5 октября из района города Шауляй. Переброшенная сюда 43-я армия вновь быстро прорвала оборонительный рубеж гитлеровцев, что позволило И. Х. Баграмяну ввести в прорыв 5-ю гвардейскую танковую армию. Сметая на своем пути очаги сопротивления противника, советские танкисты 11 октября вышли на побережье Балтийского моря в районе Паланги, вновь перерезав сухопутные коммуникации группы армий «Север». Продолжая наступление, войска фронта совместно с 39-й армией 3-го Белорусского фронта к 20 октября освободили всю Литву. Лишь в районе Мемеля немцы, опираясь на мощные укрепления, смогли удержаться на своих позициях.
Тем временем, преодолевая ожесточенное сопротивление противника, войска 2-го и 3-го Прибалтийских фронтов 12 октября ворвались на окраины Риги. После ожесточенного 3-дневного сражения столица Латвии была освобождена. Группа армий «Север» под ударами советских войск отошла на Курляндский полуостров на северо-западе Латвии. Только здесь, на заранее подготовленных позициях, немцам удалось остановить советское наступление.
В ходе Прибалтийской стратегической наступательной операции советские войска освободили территорию почти всей Прибалтики. Хотя полностью разгромить группу армий «Север» не удалось, она все же понесла серьезные потери и оказалась блокированной в Курляндии, где и оставалась до конца войны. Впоследствии Гитлеру очень не хватало этих дивизий для защиты самой Германии. Эвакуировать с полуострова удалось не более трети оборонявшихся там сил. Таким образом, в дни решительных боев за Германию огромная группировка фашистских войск фактически бездействовала в Прибалтике. О масштабах имевшихся там сил можно судить по тому факту, что в мае 1945 г. в Курляндии было пленено 284 170 солдат и офицеров противника, в т. ч. 48 генералов. В качестве трофеев были взяты 478 танков, 3381 орудие и миномет, 156 самолетов, 18 220 автомашин.