Операция по освобождению Донбасса имела огромное военное, политическое и экономическое значение. Немцы сделали всё, чтобы превратить территорию Донбасса в хорошо укреплённый район. 11 августа 1943 года Адольф Гитлер издал приказ о строительстве дополнительного рубежа обороны, известного под названием «Восточный вал». Оборону Донбасского района возложили на 1-ю танковую и 6-ю полевую армии, которые входили в группу армий «Юг» и насчитывали 22 дивизии. 18 августа 1943 года войска Южного фронта под командованием генерал-полковника Ф. И. Толбухина после мощной артиллерийской подготовки начали наступательную операцию в районе реки Миус, а 20 августа оборона противника на этом участке фронта была прорвана на всю глубину. На приморском направлении, взаимодействуя с Азовской военной флотилией (командующий контр-адмирал С. Г. Горшков), наступали войска 44-й армии (командующий генерал-майор В. А. Хоменко), её 221-я стрелковая дивизия (командующий полковник И. И. Блажевич) к 1 сентября 1943 года вышла на реку Грузской Еланчик на участке Коньково-Хомутово, где встретила особо упорное сопротивление. 130-я Таганрогская стрелковая дивизия (командир полковник К. В. Сычёв) штурмом овладела Будённовкой (сейчас — город Новоазовск) и заняла позиции на реке Грузской Еланчик в районе Хомутово — Азовское море. Начались тяжёлые бои за город Мариуполь.

1 сентября 1943 года командующий 44-й армией генерал-майор В. А. Хоменко отдал приказ 221-й и 130-й стрелковым дивизиям о начале наступления, намеченного на 8:00 2 сентября. К исходу 4 сентября части 221-й стрелковой дивизии освободили посёлок Павлополь и вышли к реке Кальмиус юго-восточнее села Чермалык, а части 130-й — взяли высоту 91,4 и закрепились на рубеже посёлок Гордиенко — Новая Таврия — Орехов — Азовское море. К 4 августа соединения и части 4-го гвардейского Кубанского кавалерийского корпуса (дивизии: 9-я, командир И. В. Тутаринов, 10-я, командир Б. С. Миллеров, 30-я, командир В. С. Головской) заняли позиции на линии село Вальдгейм — совхоз Саханка. Освободительные бои за город начались 5 сентября 1943 года. 221-я дивизия должна была форсировать реку Кальмиус на участке Чермалык — Павлополь, с боями овладеть высотами 97,7 и 99,6 и посёлком Старый Крым и обойти город с севера. 130-я — в направлении Сартаны, Гуглино и Новосёловки. В назначенное время (11:00 5 сентября) дивизиям не удалось начать наступление на город, так как им пришлось отбивать 8 крупных контратак противника, который бросил против советских частей пехоту, танки «Тигр», штурмовые орудия «Фердинанд», кавалерию. Лишь отбив немецкие контратаки (221-я к 16:00, а 130-я к 19:00), советские части начали форсировать Кальмиус (221-я к 18:00).

6 сентября 1943 года при отступлении оккупанты уничтожили все промышленное оборудование, сожгли дома и села. В ночь с 9 на 10 сентября 1943 года в порту высадились 1-й и 2-й отряды 384-го ОБМП Азовской Военной Флотилии Черноморского Флота. Трагичной оказалась судьба моряков взвода разведки П. Р. Криулина, направленного 8 сентября в район Мелекино — Самарина Балка для содействия высадке второго десанта (корабли Азовской военной флотилии возвратились на базу в Ейск из-за начавшегося шторма), а на ликвидацию группы криулинцев немцами были брошены крупные силы с миномётами и артиллерией (только 4-м десантникам удалось вернуться в свой батальон). Во взаимодействии с частями 130-й и 221-й стрелковыми дивизиями, а также с кораблями Азовской военной флотилии храбро сражались в небе над Мариуполем лётчики 9-й гвардейской истребительной авиационной дивизии (командующий И. М. Дзусов, в составе воевал дважды Герой Советского Союза подполковник А. И. Покрышкин) и 23-го штурмового авиаполка (А. И. Чопов). 9 сентября начались непосредственные бои за овладение Мариуполем: в 14:00 221-я стрелковая дивизия перешла в наступление (задача — прорвать Кальмиусский оборонительный рубеж противника в направлении совхоз имени Петровского — совхоз «Зирка» — станция Сартана), а в 15:00 перешла в наступление и 130-я дивизия (с севера и востока). К 8:00 10 сентября начались уличные бои (в 7:30 приступили к форсированию Кальмиуса в районе завода «Азовсталь»). К 12:00 морякам-десантникам, высадившимся в ночь на 10 сентября в районе косы Бирючей (восточнее Мелекино), удалось ворваться в порт, уничтожив до 50 вражеских солдат, а к 18:00 десантники встретились с передовыми частями 130-й стрелковой дивизии. К 18:00 10 сентября войска 130-й Таганрогской и 221-й дивизий 44-й армии Южного фронта (с 20 октября 1943 года — «4-й Украинский фронт») при поддержке из воздуха частей 4-й воздушной армии и подразделов Азовской Военной Флотилии выбили немцев из города. А в 20:00 Москва салютовала освободителям Мариуполя 12 артиллерийскими залпами из 124 орудий. Согласно приказу Верховного Главнокомандующего И. В. Сталина, присвоены наименования «Мариупольских»: 221-й стрелковой дивизии и 9-й гвардейской истребительной авиационной дивизии, а 130-я Таганрогская дивизия была награждена орденом Красного Знамени.

Война привела к огромным разрушениям, были уничтожены завод имени Ильича (на 70 %), «Азовсталь», порт (на 80 %), транспортная сеть, при отступлении немцы поджогом уничтожили около 85 % жилья (1 593 дома, 68 школ, 17 детсадов, 101 библиотеку, Дворец пионеров, театр), сожжены элеватор, уничтожены 2 водохранилища с очистными сооружениями и насосами. Общий ущерб городу составил 880 млн рублей (в том числе 319 — заводу имени Ильича, 204 — заводу «Азовсталь», 155 — жилищно-коммунальному хозяйству, 79 — культурно-социальным учреждениям). Тысячи мариупольцев проявили мужество и отвагу на фронтах Великой Отечественной войны. Более 30 из них удостоены звания Героя Советского Союза. Отступая из города, немцы разрушили Мариуполь. Заводы представляли собой груды исковерканного металла, железнодорожное и портовое хозяйства взорваны, многие жилые дома сожжены. Всего за время оккупации в городе расстреляно и замучено свыше 50 тысяч жителей. После ухода немцев в городе осталось всего 85 тысяч человек.