1945年8月10日，即对日宣战第二天，苏联远东空军的行动比第一天更加积极，因为天气已经好转，有利于战机出动。
凌晨，第19师的78架伊尔-4再次轰炸了长春。这次空袭，伪满洲国所谓的首都全城停电，探照灯打开在搜索空中的轰炸机，并有高射炮射击。但是日军炮手技术太差，所有苏军轰炸机安全返航。轰炸造成长春发生四起大火，居民楼、驻军营房和仓库都被击中起火。不过，苏军轰炸机再次错过了主要目标——关东军司令部。下午，没有参加凌晨空袭行动的机组轰炸了虎头，第35军先头部队已经接近这座要塞。虎头被苏军轰炸机空袭之后，两座仓库起火燃烧，另有多处发生火灾。图为参加对日作战的苏军佩-2轰炸机。
来自第34航空攻击师的9个9机编队，共81架佩-2轰炸机对虎头要塞地区进行了猛烈的空袭，这几乎是该师的所有飞机。经验丰富的机组为佩-2挂载两枚FAB-250（250千克）和两枚FAB-100（100千克）炸弹，而经验较少的机组只挂载两枚250千克炸弹，因为这种双发轰炸机规定只能挂载500千克炸弹。在苏军轰炸机的强大攻势下，日军虎头要塞多座重要的装甲炮塔被直接命中。图为虎头要塞被苏军轰炸机击毁的装甲炮塔。
两个小时后，苏军地面部队接近虎头要塞，在空袭中幸存的装甲炮塔、炮台、碉堡继续抵抗。由于虎头要塞是一座完整的防御体系，苏军地面部队进展并不顺利。苏军不得不将攻击改为围困，这里的战斗一直持续到二战结束，成为第二次世界大战最后结束的战场。图为虎头要塞被击毁的装甲炮塔，可以看到炮塔外侧有迷彩涂装。
苏联空军随后将主要精力转向消灭日本关东军的地面有生力量，对车辆、铁路设施发动空袭。根据第9航空集团军的最终报告，他们共击中11台蒸汽机车、26列火车、101辆汽车、2辆坦克和3门高射炮。日军显然不愿意进行空战，这降低了苏军空袭的难度，提高了轰炸的命中率，大大增加了摧毁目标的数量。同样，苏军就可以大大减少为轰炸机和攻击机护航的战斗机数量，8月9日护航战斗机与轰炸机的比例约为1：1，而在8月10日，只有几架战斗机为9架佩-2轰炸机护航。在战争的最后几天，苏军轰炸机完全在没有护航的情况下执行战斗任务。图为被炸毁的虎头要塞主炮台，上面有一块纪念标牌，记载这里是第二次世界大战的最后战场。这座炮台厚重的混凝土圆顶下面是一门410mm火炮，瞄准苏联方向。
被“解放”的苏军战斗机开始参与对地面攻击的任务，同时，“自由狩猎”战术得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。在“狩猎”中，苏军战斗机通常组成双机编队，一旦发现大型且受到良好保护的目标时，他们就会通过无线电请求增援。图为虎头要塞的主炮台图纸，能够看到这座炮台的结构，炮台内部空间半径为12米，高度为15米，非常巨大。
其中一个典型战例就是第249攻击机中队的4架雅克-9T战斗机在佩列沃佐奇科夫少校的率领下，展开攻击行动。8月10日在二道沟车站，前头的双机编队交替攻击，击毁两台蒸汽机车和多节车厢，这座车站的交通被彻底瘫痪。随后，同一个小组又发现另一列由两台蒸汽机车牵引的长途火车，两架战斗机穿越云层发动四次攻击，摧毁了这两台机车。图为日军投降后，虎头要塞的次要建筑物被拆毁，这是一座碎石构成的碉堡。
8月10日一整天的战斗，第9航空集团军出动了1027架次战机，其中远程轰炸机78架次，前线轰炸机116架次，攻击机136架次，战斗机616架次，侦察机81架次。此外，夜间还有7架波-2教练机执行了特殊的任务，将侦察兵伞降到敌人战线后方。进入战争第二天，苏联空军以最大强度运转，尽管出动战机数量增加，但是损失却明显低于第一天。2架雅克-9、2架伊尔-2、1架佩-2没有返航。根据第251攻击机师的战斗日志，第536团的飞行员博特勒驾驶伊尔-2攻击机在执行任务时油箱被打破，没有放下起落架就在普拉托诺夫卡附近机腹迫降，飞行员生还，但飞机报废。图为苏军占领后的虎头要塞，日军兵营门口修建了防御墙，上面还有射击孔。
执行轰炸任务时，第536团的科罗比茨基中尉因为高度太低，他驾驶的伊尔-2被自己投下的炸弹弹片击伤。科罗比茨基紧急将这架受伤的伊尔-2降落在苏军未占领的地区。不久，苏军侦察机飞临这个地区，返回后，侦察机飞行员报告说，伊尔-2附近没有发现飞行员的踪迹，当地居民正在忙着拆解这架飞机。一天后，科罗比茨基和他的机枪手斯特鲁戈夫中士徒步返回了苏军机场。图为251攻击机师迫降的伊尔-2，机组人员安然无恙。