Вечером 29 сентября торпедные катера приняли в Виртсу передовой батальон 249-й стрелковой дивизии с несколькими минометами и 45-мм орудиями и на полном ходу направились к населенному пункту Куйвасту на острове Муху. Артиллерия корпуса открыла через пролив ураганный огонь по намеченному плацдарму. Пролив катерники форсировали за 20 минут. За катерами из Виртсу последовали 96 амфибий с еще одним стрелковым батальоном. Высадка передового отряда, насчитывавшего 1150 бойцов, началась в 20.30. Основные силы первого эшелона были высажены по обе стороны причала Куйвасту и несколько севернее. Этот участок оборонялся пехотной ротой противника. Ее сопротивление было довольно быстро подавлено, к полуночи советские части овладели пристанью и начали продвижение к деревне Муху. Торпедные катера приступили к переброске войск, часть катеров буксировала армейские понтоны с танками и средствами усиления. К полудню 30 сентября на захваченный плацдарм были доставлены 5600 солдат и офицеров 249-й стрелковой дивизии, 24 орудия, 23 миномета и четыре танка.

Немцы, которых было на острове не более 500 человек, некоторое время упорно сопротивлялись, а вечером 30 сентября отступили на остров Сарема по Ориссарской дамбе, взорвав ее в нескольких местах. Благодаря минимальной оперативной паузе между выходом советских войск на побережье и моментом высадки, первая победа была достигнута относительно легко. На Муху началась переброска остальных сил Эстонского корпуса и двух дальнобойных морских батарей.

Высадку на остров Хиума планировалось провести в 6 часов 1 октября на двух участках у мыса Хельтерма и мыса Тяхванина. Развить успех предполагалось ударом в тыл противника частью сил бригады морской пехоты, высаженной на участке Кэрдель. Десанту предстояло преодолеть водную преграду шириной около 12 миль. Погода не благоприятствовала проведению высадки, и ее пришлось перенести на сутки.

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.