Эскадра в составе линкора «Парижская коммуна», крейсеров «Красный Крым», «Красный Кавказ» и девяти эсминцев обстреливала порт, имея задачу предотвратить выход из порта сил румынского флота. Отряд легких сил в составе крейсеров «Ворошилов», «Молотов» и пяти эсминцев вел обстрел побережья севернее порта и обеспечивал высадку морского десанта. На рассвете дивизионы тральщиков, торпедных катеров и малых морских охотников в количестве 76 единиц высадили бригаду морской пехоты на участок побережья между озером Сютгел и городом.
Морские пехотинцы атаковали от побережья на запад, перерезая автомагистрали, ведущие из города на север, обеспечивая тем самым с тыла действия 1-го вдк. Бригады воздушного десанта, сгруппировавшись, атаковали с тыла румынские части, оборонявшиеся по каналу западнее озера Сютгел, прорвались к каналу в полосе шириной 3 км и обеспечили работу понтонно-мостовых батальонов, которые к 13 часам навели 3 понтонных моста через канал. По мостам сразу же начали переправляться танковые полки корпуса Лелюшенко. В 15 часов танкисты ворвались в город, подавляя разрозненное и плохо организованное сопротивление. В 18 часов танкисты вошли в порт. Два уцелевших румынских эсминца и несколько катеров, попытавшихся прорваться из порта в море были потоплены кораблями Черноморского флота. Уйти удалось лишь одной подводной лодке.
К концу дня весь город был захвачен танкистами и мотострелками 30-го корпуса. Западнее города судоходный канал разделялся на северную и южную ветви, выходившие к морю севернее и южнее города. Вся территория между ветвями канала тоже была очищена от противника. Было взято в плен 26 тысяч румынских солдат и офицеров. Захвачены большие трофеи — вооружение и грузы в порту.
22-го и 23-го сентября корпуса Лелюшенко и Батова очищали от противника территорию между побережьем моря и Дунаем на участке от канала до Хыршовы. Разрозненные и деморализованные гарнизоны населенных пунктов и отдельные подразделения практически не оказывали сопротивления. Было взято еще 11 тысяч пленных.
В результате операции участок румынской территории размером 60 км на 90 км между низовьем Дуная и Черным морем оказался отрезан от остальной территории страны. В окружение попали 2-ой румынский армейский корпус в полном составе и бригада охраны побережья. 24–28 сентября соединения Южного фронта проводили перегруппировку. Штурм Плоешти был прекращен. Стрелковые корпуса сменяли танковые и мотострелковые дивизии на фронте по рекам Теленяж, Яломица, Дунай и по Дунайскому каналу. Понесшие большие потери соединения 1-ой ударной армии были отведены в тыл на пополнение.