Тем не менее, без паузы, уже 29 октября Ставка начинает знаменитую Будапештскую операцию, завершившуюся лишь 13 февраля 1945 г. К началу операции 2-й Украинский фронт имел 7 общевойсковых, 1 танковую и 1 воздушную армии, 3 танковых и 3 механизированных корпуса, что обеспечивало превосходство над противником по живой силе – в 2 раза, по артиллерии – в 4 раза, танкам и САУ – в 2 раза, самолетам – в 2,6 раза. Это, казалось сулило быстрый успех операции. В распоряжении немецкого командования было в общей сложности 190 тыс. солдат и офицеров, заблаговременно сильно укреплённый большой город и три рубежа обороны, которые упирались своими флангами в Дунай В первый же день 46 армия прорвала оборону противника и уже ко 2 ноября вышли с юга на подступы к Будапешту, но немцы немедленно перебросили сюда три танковые и одну моторизованную дивизии, нанесли контрудар и остановили наши войска. Потери наших войск приблизились к ежесуточным потерям на Курской дуге и тогда были задействованы войска еще четырех армий фронта, которые начали наступление с востока и северо-востока, охватывая Будапешт с севера. 4-я гвардейская армия с 18-м танковым и 5-м кавалерийским гвардейскими корпусами стала пробиваться между озером Балатон и Будапештом через линию укреплений «Маргарита». 11–26 ноября войска фронта прорвали вражескую оборону между Тисой и Дунаем и, продвинувшись в северо-западном направлении до 100 км, подошли к внешнему оборонительному обводу Будапешта, однако и на этот раз не смогли овладеть городом. Столкнувшись с упорным сопротивлением противника, советские войска приостановили атаки. Тяжелые бои, зачастую перерастающие во встречные, шли целый месяц.
В начале декабря снова было предпринято наступление на Будапешт силами центра и южного крыла 2-го Украинского фронта. В результате советские войска вышли к Дунаю севернее и северо-западнее Будапешта, отрезав 5 декабря будапештской группировке противника пути отступления на север. Войска 3-го Украинского фронта (3 советские и 1 болгарская общевойсковые и 1 воздушная армии – 1 танковый и 2 мехкорпуса) к этому времени форсировали Дунай вышли северо-восточнее озера Балатон и создали условия для совместных действий со 2-м Украинским фронтом. Немцы, перебросив резервы, пытались 7 декабря контратаковать и нанесли сильные контрудары, успешно парированные 46-й армией. 57-я армия вышла к югу от озера Балатон, 4-я гвардейская армия соединилась с 46-й армией. Будапештская группировка противника была охвачена советскими войсками с севера и юго-запада.
