28 сентября 3-й Украинский фронт вместе с болгарской армией приступил к проведению Белградской операции. После освобождения столицы Югославии войска фронта были перегруппированы в район южнее Будапешта и 20 декабря включились совместно с войсками 2-го Украинского фронта в проведение Будапештской операции. Наступление войск Толбухина привело к окружению противника в районе венгерской столицы, которая была взята 13 февраля 1945 года.
Пытаясь задержать наступление войск фронта на Вену, немецкое командование 6 марта в районе озера Балатон предприняло свое последнее в войне крупное контрнаступление. В ходе девятидневной Балатонской оборонительной операции войска 3-го Украинского фронта не только отразили вражеское наступление, но и сумели сохранить силы для возобновления наступления. 16 марта они двинулись вперед и, взаимодействуя со 2-м Украинским фронтом, овладели западными районами Венгрии, а 13 апреля освободили Вену. Боевой путь 3-го Украинского фронта завершился 9 мая в предгорьях Альп, куда они вышли в результате Грацко-Амштеттинской наступательной операции. Результаты перечисленных операций резко изменили обстановку в пользу Красной Армии, что и предопределило награждение Ф.И. Толбухина высшим военным орденом «Победа».
Многогранно проявление полководческих способностей Толбухина. Операции, проведенные руководимыми им войсками, по своему размаху и результативности, как правило, выходили далеко за пределы одного стратегического направления. Уже первая наступательная операция, проведенная на реке Миус в самый разгар Курской битвы, не только сковала вражеские войска в полосе Южного фронта, но и отвлекла несколько фашистских дивизий, в том числе танковых, от района основных действий сторон.
Еще большее влияние на стратегическую обстановку оказали действия Южного фронта в Донбасской операции. По замыслу Ставки ВГК ему отводилась роль обеспечивающего наступление соседнего Юго-Западного фронта. Об этом говорит и глубина задачи (150 километров по сравнению с 225 километрами Юго-Западного фронта), и состав фронта (30 стрелковых дивизий по сравнению с 41 на Юго-Западном фронте), и форма маневра (фронтальный удар по сравнению с глубоким обходом противника войсками Юго-Западного фронта). Следовательно, решающую роль в коренном изменении стратегической обстановки в Донбассе должен был сыграть Юго-Западный фронт. Однако в реальности всё было иначе. Войска 5-й ударной, 2-й гвардейской и 28-й армий Южного фронта, перейдя в наступление 18 августа, взломали оборону противника на реке Миус и отразили все его контрудары. В ночь на 27 августа Ф.И. Толбухин ввел в прорыв 4-й гвардейский кавалерийский корпус, объединенный с 4-м гвардейским механизированным корпусом в конно-механизированную группу. Это был первый шаг такого объединения, который себя полностью оправдал. Обходя вражеские узлы сопротивления, передовые части группы уже 29 августа вышли к побережью Азовского моря западнее Таганрога, а на следующий день освободили этот город.
Разгром под Таганрогом поставил в тяжелое положение немецко-фашистские войска в Донбассе. Их группировка, действовавшая в районе Лисичанска, Дебальцево, оказалась охваченной не только с севера, но и с юга. Это заставило командование группы армий «Юг» 1 сентября начать отвод 6-й общевойсковой и 1-й танковой армий на запад. Развивая наступление, войска Южного фронта 8 сентября освободили Донецк.
Обстановка в Донбассе для вражеских войск была настолько серьезной, что 8 сентября в штаб группы армий «Юг», расположенный в Запорожье, прибыл Гитлер. В итоге проведенного здесь совещания было решено отвести 6-ю и 1-ю танковую армии за реку Молочная, а также оставить кубанский плацдарм. Преследуя противника, армии Южного фронта вышли к реке Молочной, продвинувшись за 28 дней на 250 километров, коренным образом изменив стратегическую обстановку на южном крыле советско-германского фронта.
Немаловажное значение имели результаты наступления Южного фронта и в Нижнеднепровской операции. Сломив упорное сопротивление противника на реке Молочная, оборона на которой входила в систему так называемого «Восточного вала», войска фронта вышли к низовьям Днепра, продвинувшись на запад и юго-запад на 50—320 километров. Им удалось ворваться в Крым, захватить Армянск в центре Турецкого вала и овладеть плацдармом на южном берегу Сиваша. Успехи фронта ускорили проведение десантной операции с целью овладения восточной частью Керченского полуострова. В результате Керченско-Эльтингенской операции (31 октября – 11 декабря 1943 года) войска Северо-Кавказского фронта при содействии Черноморского флота и Азовской военной флотилии захватили плацдарм на Керченском полуострове.
