21 мая М. В. Фрунзе отдал приказ войскам Южной группы о подготовке и проведении операции.
Главная сложность Уфимской операции состояла в том, что на ее решающем этапе соединениям Туркестанской армии нужно было в сжатые сроки форсировать крупную водную преграду. Выполнить намеченный маневр по глубокому охвату уфимской группировки 3-я кавалерийская дивизия могла только при условии быстрого захвата пехотой плацдарма на правом берегу реки Белой.
Наступление на Уфу советские войска начали 25 мая и вели его в высоком темпе, опрокидывая сильные заслоны и контратакующие группы колчаковцев. За 10 дней войска Туркестанской армии продвинулись с боями до 100 км и точно в намеченный срок — 4 июня вышли к реке Белой. На этом этапе операции была разбита сильная группировка войск противника, прикрывавшая узловую станцию Чишма, и освобожден Стерлитамак.
Форсировать Белую на направлении главного удара после короткой подготовки не удалось, поскольку противник успел уничтожить все переправочные средства и сильно укрепился на противоположном берегу. Но на левом фланге армии (около 20 км севернее Уфы) передовые подразделения, 25-й дивизии вышли к реке у села Красный Яр, захватили два небольших судна. Совершив вылазки на противоположный берег, разведка установила расположение вражеских окопов и наиболее удобное место подхода к ним.
М.В. Фрунзе своевременно оценил значение достигнутого чапаевцами успеха. Вскоре он прибыл в расположение 25-й дивизии, чтобы организовать переброску ее главных сил на правый берег реки Белой; это происходило 7 июня вечером. 8 и 9 июня белогвардейцы превосходящими силами пытались опрокинуть переправившиеся советские полки в реку. Развернулись ожесточенные бои. В один из критических моментов Фрунзе лично возглавил атаку 220-го Иваново-Вознесенского стрелкового полка.
Когда развернулось сражение за Уфу, М. В. Фрунзе настойчиво предлагал, чтобы части 5-й армии, занявшие к тому времени большой плацдарм на правом берегу реки Белой, продолжали выполнять задачу оперативного обеспечения действий Туркестанской армии и помогли ей охватить уфимскую группировку колчаковцев. На его телеграмму о поддержке командующий 5-й армией М. Н. Тухачевский ответил: приказано 26-й дивизии выделить отряд для наступления на Изяки, удар нанести решительно и быстро. Это было утром 9 июня, а к вечеру противник отступил на северо-восток.
Пока шло двухдневное сражение основных сил обеих сторон, 75-я бригада чапаевцев находилась в резерве у железнодорожного моста. Но как только колчаковцы отступили, бригада на лодках и по мосту прорвалась в город. На следующий день экстренный выпуск газеты политотдела 1-й армии "Набат революции" сообщил: "Красной Армией взят город Уфа… Противник в панике отступает по всему фронту, преследуемый нашими войсками. В боях под Уфой ранен командир дивизии тов. Чапаев и контужен командующий войсками Южной группы тов. Фрунзе. Оба товарища все время находились на линии огня и не покинули своих постов, несмотря на ранения". За мужество и героизм, проявленные в боях под Уфой, М. В. Фрунзе был награжден орденом Красного Знамени.
