Sau khi giải phóng Bucharest và Ploieşti, Phương diện quân Ukraina 2 quay hướng tấn công sang khu vực biên giới Rumani-Hungary và hành tiến tới Transilvania, phối hợp với Phương diện quân Ukraina 4 đang tiến hành Chiến dịch Đông Carpath. Trong đội hình của họ giờ đây có thêm các Tập đoàn quân Rumani số 4, số 1 được thành lập từ các đơn vị quân đội Rumani vừa gia nhập quân đội Liên Xô. Cuộc tấn công ở vùng Transilvania diễn ra rất khó khăn vì, nhờ được tăng viện, quân đội Đức-Hungary đã có trong tay 27 sư đoàn tại khu vực này (trong đó có 6 sư đoàn thiết giáp và cơ giới) và đã hình thành một phòng tuyến cứng rắn tại vùng biên giới Hungary. Vì vậy, chiến sự trong khu vực đã diễn ra rất ác liệt. Tuy nhiên, ở phía Nam Transilvania, cánh trái của Phương diện quân Ukraina 2 vào giữa tháng 9 đã đột phá vào hậu cứ của một nhóm quân Đức-Hungary đang trấn giữ các đường đèo băng qua dãy Carpath, buộc quân Đức phải tháo lui. Ngày 24 tháng 9, quân đội Liên Xô và Rumani đã tiến sát đến biên giới Rumani hồi trước năm 1940 tại gần Mako. Như vậy, đến lúc này, chính phủ Rumani đã nắm quyền kiểm soát phần lớn lãnh thổ của họ, kể cả vùng Transilvania bị cắt cho Hungary hồi quyết định Viên lần thứ bai. Phần cuối cùng của lãnh thổ Rumani được giải phóng sau Chiến dịch Debrecen vào ngày 7-15 tháng 10 năm 1944.