3-м Украинским фронтом был назначен Ф. И. Толбухин, а начальником штаба фронта С. С. Бирюзов. Такие назначения также не были случайными. Толбухин и Бирюзов, как уже говорилось выше, на редкость удачно дополняли друг друга по своим деловым качествам. Год их совместной и весьма успешной работы на Южном и
4-м Украинском фронтах лишь укреплял Ставку Верховного Главнокомандования во мнении, что эти два военачальника максимально обеспечат успех предстоящих операций 3-го Украинского фронта.
Еще 27 марта 1944 года Советская Армия вышла на границу с Румынией. Теперь практического и немедленного решения требовал вопрос об освобождения Балкан. Немедленного потому, что фашистские правящие круги Румынии во главе с ее военно-фашистским диктатором И. Антонеску вели тайные переговоры с представителями США и Англии. Правители Румынии понимали, что крах фашистской Германии недалек, и ловили момент, чтобы переметнуться в англо-американский блок, заключить сепаратный мир с США и Англией и впустить англичан и американцев в Румынию раньше, чем туда вступят советские войска. Это стремление фашистского правительства Румынии полностью отвечало и так называемому «балканскому варианту» У. Черчилля, который предусматривал высадку союзных войск на Балканах и их продвижение к Германии с юга, чтобы упредить Советскую Армию в занятии стран Юго-Восточной Европы.
На очереди стояла Ясско-Кишиневская операция. Здесь нет нужды говорить о том, как готовилась она и проводилась. Гораздо важнее для понимания образа Бирюзова как военачальника указать на тот факт, что, принимая решение на проведение Ясско-Кишиневской операции, командующий 3-м Украинским фронтом Толбухин полностью воспринял идею своего начальника штаба Бирюзова о нанесении главного удара с Кицканского плацдарма. Это было не просто совпадение мнений двух руководителей фронтовой стратегической операции. Один из них, Бирюзов, с самого начала высказал эту идею, а затем последовательно и целеустремленно обосновывал ее целесообразность, представляя соответствующие расчеты, проверенные и перепроверенные не раз сведения разведки, данные рекогносцировок. Другой, Толбухин, выслушивал все это, однако свое мнение высказывать не спешил, чем не раз даже ввергал Бирюзова в недоумение. Причина, однако, у Федора Ивановича была весьма основательная: он знал мнение Ставки, склонявшейся к тому, чтобы главный удар войска 3-го Украинского фронта нанесли на Кишиневском направлении, то есть на правом фланге, а не на левом, как предлагал Сергей Семенович. Командующий преднамеренно не говорил об этом, чтобы никакие довлеющие авторитеты не связывали творческую мысль его помощника. Убедившись в правоте Бирюзова, он поддержал его идею, облек ее в форму решения на предстоящую операцию, а значит, полностью взял на себя ответственность за то, чтобы убедить Верховное Главнокомандование в предпочтительности именно этой идеи»
В конце июля 1944 года Толбухин выехал в Москву 2 августа Ставка утвердила решение командующего 3-м Украинским фронтом на проведение Ясско-Кишиневской операции.
Ясско-Кишиневская операция, одна из сложнейших стратегических наступательных операций Великой Отечественной войны, началась 20 августа 1944 года. Уже на следующий день войска 3-го Украинского фронта прорвали оборону противника и, развивая наступление, рассекли вражескую группировку, отрезав 6-ю немецкую армию от 3-й румынской. 23 августа войска 3-го и 2-го Украинских фронтов соединились в районе Хуши: в кольце оказалось 18 немецко-фашистских дивизий. 3-я румынская армия на другой день прекратила сопротивление. 23 августа в Румынии под руководством компартии вспыхнуло антифашистское вооруженное восстание, был свергнут режим Антонеску. Румыния объявила войну Германии. К 30 августа войска 3-го Украинского фронта, наступая по обоим берегам Дуная, освободили города Тульчу, Галац, Констанцу, Сулину. 2-й Украинский фронт подошел к Плоешти. Все южное стратегическое крыло немецко-фашистского фронта рухнуло. Был открыт путь на Балканы.
Бирюзов в дни операции буквально не знал ни сна, ни отдыха. С телефонной трубкой и красно-синим карандашом в руке он сам наносил на карту быстро менявшуюся обстановку, вел переговоры со штабом 2-го Украинского фронта, докладывал данные в Москву. Как назло, Толбухин, который вообще не отличался здоровьем, в самом начале наступления заболел. Это еще прибавило работы Бирюзову. Быстрые темпы наступления потребовали срочно сменить КП фронта, надо было выбрать место, обеспечить управление, связь, маскировку. По указанию Толбухина он ежедневно выезжал в войска. В разгар операции, 21 августа, Бирюзову исполнилось 40 лет. Об этом он вспомнил лишь 24-го, следуя на КП 4-го мехкорпуса, вспомнил и рассмеялся: по случайному совпадению ровно год назад, во время боев на Миусе, он в день рождения ехал в этот же корпус...
В тот же день побывал в 37-й армии у Шарохина, уточнил с ним обстановку, информировал командарма о делах соседей. Вернулся в штаб и уснул прямо за столом. Разбудил его голос Левитана; «Войска 3-го Украинского фронта... 24 августа штурмом овладели столицей Молдавской ССР городом Кишиневом...» Это было приятное пробуждение... И вновь калейдоскоп событий: поездки в войска, уточнение вопросов взаимодействия, информация соседей, доклады командованию...
27 августа, находясь опять на КП 4-го мехкорпуса, Бирюзов попал в сложную переделку. Пока он и командир корпуса генерал В. И. Жданов работали над картой, к командному пункту прорвалась крупная немецкая часть, пытавшаяся вырваться из окружения. Личный состав штаба корпуса завязал бой с противником. Неизвестно, чем бы он кончился, но к штабу подоспел самоходный артиллерийский полк, решивший исход дела. Гитлеровцы были уничтожены. А уже через несколько часов Бирюзов был в 57-й армии у генерала П. А. Гагина. Вечером того же дня стало известно, что войска фронта и Дунайской флотилии овладели всеми приречными узлами сопротивления противника от устья Дуная до Галаца. Бирюзов вздохнул с облегчением: 3-й Украинский фронт с честью выполнил свою задачу в Ясско-Кишиневской операции.
В начале сентября войска 3-го Украинского фронта неудержимо двигались к границам Болгарии. Правительство царской Болгарии, которое формально поддерживало в течение всей войны нейтралитет с СССР, но на деле вопреки воле своего народа тесно сотрудничало с гитлеровцами, и в эти дни продолжало оказывать им помощь. Территория и транспорт Болгарии использовались немецко-фашистской армией, болгарские войска несли оккупационную службу в Югославии и Греции, что позволяло гитлеровскому командованию высвободить свои силы для действий на советско-германском фронте. Пособники «третьего рейха» в Болгарии жестоко расправлялись с партизанами и другими патриотами. Через Болгарию на румынскую территорию проходили немецко-фашистские войска, направлявшиеся на подкрепление разбитых гитлеровских дивизий.
26 августа Болгарская рабочая партия приняла решение о непосредственной подготовке вооруженного восстания болгарского народа. ЦК БРП обязал коммунистов поднять все антифашистские силы на смелую и решительную борьбу за изгнание гитлеровских войск, свержение фашистских министров, установление народно-демократической власти.
30 августа Советское правительство направило ноту правительству Болгарии, в которой предлагалось немедленно прекратить пропуск через Болгарию немецких войск. Однако болгарские власти лишь делали вид, что порывают с фашистской Германией, на деле все оставалось по-прежнему: тысячи гитлеровских солдат укрывались в стране, в портах Болгарии базировались немецкие корабли, угрожая советскому судоходству на Черном море. Пятого сентября Советское правительство направило повторную ноту, в которой осуждало политику, проводимую болгарскими властями, и указывало на то, что «Болгария теперь имеет полную возможность, не опасаясь Германии, порвать с Германией и тем самым спасти страну от гибели».
Седьмого сентября болгарское правительство официально заявило о разрыве с Германией, а 8 сентября объявило ей войну. В эти же дни в стране назревали революционные события. Отечественный фронт, созданный под руководством Компартии Болгарии еще в 1942 году, готовил вооруженное восстание с целью свергнуть монархо-фашистский режим в стране и провозгласить народно-демократическую республику. В связи со складывавшейся обстановкой Советское правительство решило ввести войска 3-го Украинского фронта в восточные районы Болгарии, до рубежа Джурджу, Розград, Шумея, Дылгопол, северный берег реки Каменя.
Восьмого сентября советские войска вступили в Болгарию. Население встречало их восторженно. Ни одного выстрела не раздалось со стороны болгарских воинов. Девятого сентября в Болгарии началось антифашистское народное восстание, закончившееся победой Отечественного фронта, который образовал новое народное правительство. Оно обратилось с просьбой к правительству СССР, чтобы советское командование взяло на себя организацию взаимодействия болгарских войск с войсками 3-го Украинского фронта.
Директивой от 13 сентября Ставка предписывала Маршалу Советского Союза Толбухину:
«Для руководства действиями наших войск, включая авиацию, и для организации взаимодействия с болгарскими войсками через Генеральный штаб Болгарии направить в Софию генерал-полковника Бирюзова в качестве своего заместителя».
Бирюзов прибыл в Софию самолетом 14 сентября. К этому времени в болгарской столице уже находилось несколько соединений Советской Армии, направленных туда по просьбе нового болгарского правительства.
Для защиты Софии с воздуха использовались как болгарские, так и советские части ПВО. Здесь же находился командующий 17-й воздушной армией В. А. Судец. Первые же дни переговоров с представителями военного министерства Болгарии показали, что военный министр Велчев был против того, чтобы болгарские войска действовали вместе с Советской Армией против вермахта, тогда как главнокомандующий армии генерал Маринов ратовал за быстрейшее участие болгарской армии в войне с Германией. Этого же хотело подавляющее большинство народа и правительство Отечественного фронта.