Po porażkach w walkach na przedpolach Warszawy w końcu lipca i na początku sierpnia 1944 r. wojska sowieckie na ponad miesiąc zatrzymały swoją ofensywę. Skala strat nie była jednak na tyle duża, aby rzeczywiście zatrzymać czerwony walec pancerny toczący się w stronę Wisły. Szczególnie szeroko Moskwa "rozreklamowała" rozmiary swojej porażki pod Radzyminem z doborowymi niemieckimi siłami pancernymi. Rzeczywistym celem niemieckiego dowództwa było powstrzymanie Sowietów na tyle długo, aby przygotować obronę na lewym brzegu. Ku jego zaskoczeniu nie rozpoczęli oni ataku na tzw. przedmoście warszawskie. Dało to czas na rozprawienie się z Powstaniem Warszawskim. Sowieci swoimi porażkami mogli zaś uzasadnić zatrzymanie frontu i oczekiwać na wykrwawienie Armii Krajowej.
Pierwsza faza sowieckiego "wyzwalania" polskiej stolicy rozpoczęła się 10 września 1944 r. Po zajęciu podwarszawskich miejscowości 13 września oddziały Zygmunta Berlinga i ich sowieccy towarzysze rozpoczęli walkę w gęstej zabudowie Pragi. Starcia trwały ponad dwa dni i okazały się znacznie bardziej zacięte niż styczniowy bój o ruiny na lewym brzegu. Ich pamiątką są zachowane do dziś ślady ostrzału, m.in. na siedzibie PKP przy ul. Targowej. Podjęte w kolejnych tygodniach próby desantu na prawy brzeg nie otrzymały wystarczającego wsparcia sowieckiego i zakończyły się klęską. Na froncie na niemal dwa i pół miesiąca zapanował spokój. Wyjątkiem był podejmowany przez Niemców ostrzał Pragi. Szczególnie niebezpieczna była jej główna arteria. Targowa stała się według mieszkańców "aleją śmierci".
Mimo że wojska niemieckie znajdowały się w odległości strzału snajpera, władze sowieckie niemal natychmiast po zajęciu Pragi rozpoczęły budowę aparatu terroru, który miał przygotować grunt pod przejęcie władzy przez podporządkowany im Polski Komitet Wyzwolenia Narodowego. Już we wrześniu 1944 r. w kamienicy przy ul. Strzeleckiej rozpoczęło prace NKWD. W piwnicach urządzono więzienie i katownie dla żołnierzy podziemia. Na piętrach znajdowały się pokoje przesłuchań i kwatery funkcjonariuszy. W pierwszych tygodniach po sowieckim "wyzwoleniu" NKWD zajęło również część wielkiego gmachu Gimnazjum im. Władysława IV oraz budynku tzw. rogatki praskiej.
W tym samym czasie po drugiej stronie trwała zagłada miasta. Wyburzanie budynków poprzedzał zorganizowany rabunek. Do połowy stycznia 1945 r. z Warszawy na zachód wywieziono ok. 45 tys. wagonów zapełnionych majątkiem mieszkańców oraz wszelkiego typu maszynami fabrycznymi i surowcami. Apokalipsę obserwowali nieliczni Polacy zmuszeni do niewolniczej pracy przez Niemców. "Nastąpiła głucha detonacja, w oczach naszych cały gmach jak gdyby podskoczył nieco w górę i znikł w obłokach pyłu wapiennego. Gdy tuman pyłu osiadł, oczom naszym ukazała się olbrzymia piramida pogruchotanych cegieł i całych brył muru na miejscu dawnego MSZ przy ulicy Wierzbowej. Całe to makabryczne widowisko przed naszymi oczami rozegrało się kilkadziesiąt metrów od naszej ciężarówki" – wspominał jeden z polskich świadków zburzenia Pałacu Brühla 18 grudnia 1944 r. Jedenaście dni później ten sam los spotkał sąsiedni Pałac Saski. Ostatnim zniszczonym budynkiem była Biblioteka Publiczna m.st. Warszawy przy ul. Koszykowej. 16 stycznia 1945 r. Niemcy podpalili magazyn książek i czasopism liczący ok. 0,5 mln woluminów. Straty dla polskiej kultury byłyby jeszcze większe, gdyby nie ofiarna praca kilkudziesięciu muzealników i bibliotekarzy zabezpieczających zbiory za zgodą pragnących je zagrabić Niemców. Setek zaminowanych obiektów Niemcy nie zdołali wysadzić przed rozpoczęciem sowieckiej ofensywy.
Tzw. operacja warszawska trwała znacznie krócej niż walki o Pragę. Była częścią wielkiej ofensywy rozpoczętej przez Armię Czerwoną 12 stycznia 1945 r., nazwanej operacją wiślańsko-odrzańską. W akcji zmierzającej do wyparcia Niemców od 14 do 17 stycznia 1945 r. brały udział 1 Armia WP oraz 47 i 61 Armia 1 Frontu Białoruskiego. Obie armie sowieckie, 61 działająca z przyczółku warecko-magnuszewskiego oraz 47 nacierająca od strony Modlina, uderzyły w kierunku Błonia, oskrzydlając stolicę z północnego i południowego zachodu, tworząc tzw. kocioł warszawski, w którym znalazła się 9 Armia niemiecka. Ruin miasta miała bronić powołana w tym celu Dywizja Forteczna "Warszawa".
Aby uniknąć całkowitej zagłady podległych oddziałów, dowódca 9 Armii gen. Smilo Freiherr von Lüttwitz wbrew poleceniom przełożonych wydał rozkaz wycofania wszystkich sił z linii Wisły dla zorganizowania linii oporu nad Bzurą, Rawką i środkową Pilicą. Rankiem 17 stycznia 1, 3 i 4 Dywizja Piechoty rozwinęły natarcie od południowego wschodu w kierunku przedmieść Warszawy. Tego samego dnia 2 DP po przeprawie w okolicach Jabłonny na Kępę Kiełpińską podjęła działania zaczepne na północnych krańcach stolicy. 6 Dywizja Piechoty i 1 Warszawska Samodzielna Brygada Kawalerii przekroczyły Wisłę i uderzyły na miasto odpowiednio z Pragi, ze wschodu i od południa.
Walki o opanowanie stolicy trwały zaledwie kilka godzin, gdyż rozkaz von Lüttwitza został wykonany bardzo sprawnie. 17 stycznia 1945 r. przed żołnierzami 1 Armii WP znajdowały się jedynie siły osłonowe. Do poważniejszych starć z nieprzyjacielem dochodziło sporadycznie, głównie w rejonie Lasku Bielańskiego, zburzonego Dworca Głównego oraz na skrzyżowaniu Alei Jerozolimskich i Nowego Światu. Miejscem intensywnego, choć krótkiego, boju była Cytadela. Około godz. 15 ruiny oczyszczono z wroga. Niebezpieczeństwem były jednak setki pozostawionych przez Niemców min pułapek – w walkach zginęło ok. 110 żołnierzy LWP, większość z powodu ich wybuchów.
Po drugiej stronie Wisły ukazało się specjalne wydanie publikowanego od dwóch miesięcy "Życia Warszawy". Następnego dnia niemal cały numer jedynej gazety ukazującej się w mieście był poświęcony "wyzwoleniu stolicy". Informowano m.in., że "Moskwa, stolica Zw. Radzieckiego uczciła zdobycie Warszawy 24 strzałami z 320 dział", a "naczelny dowódca Armii Czerwonej Marszałek Zw. Radzieckiego Józef Stalin wyraził specjalne podziękowanie 1 Armii Polskiej". Dopiero w tekście niżej redakcja zamieściła nadane w Lublinie radiowe przemówienie premiera tzw. Rządu Tymczasowego, Edwarda Osóbki-Morawskiego. Poza wezwaniami do odbudowy Warszawy i innych zniszczonych miast funkcjonariusz marionetkowego gabinetu podkreślał zasługi swoich "sojuszników". "Nie ma słów, którymi można by wyrazić ogrom szczęścia, jakie przepełnia serce każdego z nas, nie ma słów, którymi można by wyrazić w całej pełni podziękowanie i hołd naszej wyzwolicielce, bohaterskiej Armii Czerwonej i jej genialnemu wodzowi Marszałkowi Stalinowi. Odzyskanie wolności zawdzięczamy walce bratnich nam narodów radzieckich i ich wspaniałej Armii Czerwonej. Naród polski zachowa w wiecznej pamięci i odpłaci im przyjaźnią, na jaką zdobyć się może tylko dusza polska" – deklarował.
Tego samego dnia na murach Pragi oraz otaczających stolicę miejscowości ukazały się odezwy innych organów władzy komunistycznej – warszawskiej Wojewódzkiej Rady Narodowej i Krajowej Rady Narodowej. Mieszkańców wzywano do powrotu do miasta, a robotników z całej Polski do wspomożenia odbudowy swoją pracą. W propagandzie nowych władz zaczynało się rodzić hasło odbudowy stolicy przez cały naród i przy wsparciu nowego "sojusznika". "Bratnie słowiańskie narody Z.S.R.R. przychodzą nam już z pomocą w dziele odbudowy Warszawy. Niech to będzie jeszcze jednym bodźcem dla nas wszystkich. Wytężmy wszystkie siły i wszystkie zdolności, obudźmy namiętność pracy" – zaznaczała KRN.
Rzeczywisty obraz miasta nakreślono w krótkim reportażu "Życia Warszawy". Jeden z dziennikarzy pierwszego dnia po wycofaniu się Niemców przeszedł na drugą stronę zamarzniętej Wisły. Opisał zniszczenia wzdłuż kilkunastu głównych arterii, gmachy, które przetrwały, a nawet ostatnie ślady bytności Niemców. "Względnie ocalała dzielnica niemiecka i gmachy kaźni w alei Szucha. Popłoch zastał gestapowców przy śniadaniu: jeszcze leżą niedogryzione biszkopty, walają się butelki po winie" – notował reporter. W jednym z ostatnich fragmentów dodawał: "Kto nie był w Warszawie, nie jest w stanie wyobrazić sobie, jak potwornemu zniszczeniu i opuszczeniu uległa stolica".
19 stycznia w Alejach Jerozolimskich przy dźwiękach "Warszawianki" defilowały wyznaczone oddziały 1 Armii WP. Na trybunie ustawionej naprzeciw hotelu Polonia przemarsz przyjmowali przedstawiciele władz komunistycznych i wojska, m.in. Bolesław Bierut, Władysław Gomułka, Edward Osóbka-Morawski, gen. Michał Rola-Żymierski, gen. Stanisław Popławski (wówczas dowódca 1 Armii WP), płk Marian Spychalski oraz sowiecki marszałek Gieorgij Żukow.
Późniejszy współtwórca Kabaretu Starszych Panów Jeremi Przybora był jednym ze świadków tamtego wydarzenia: Upiorne "wyzwolenie" trupa miasta i upiorna defilada na jego cmentarzysku […], ta defilada zwycięskich oddziałów maszerujących między dwoma milczącymi szpalerami widm. Wyległy one, niczym niema publiczność, na trybuny zwalisk i ruin, wzdłuż trasy przemarszu żołnierzy warszawskiej operacji. Widma chłopców i dziewcząt z AK, wmieszane w tłumy mieszkańców, którzy byli wraz z bojownikami Warszawy jej obliczem i duszą, uśmiechem, rozpaczą i strachem. […] parada wyzwolicieli, którzy już nikogo nie wyzwolili.
W podobnym tonie wypowiadała się polska prasa na uchodźstwie. "Błyskawiczne postępy armii sowieckich w Polsce. Warszawa w rękach Rosjan. Armie niemieckie zagrożone katastrofą" – informował nagłówek wydawanego w Londynie "Dziennika Polski i Dziennika Żołnierza". Na pierwszej stronie zamieszczono oświadczenie premiera RP Tomasza Arciszewskiego, odległe w stylu od przemówienia Osóbki-Morawskiego. "Po prawie pięciu i pół latach hitlerowskiej okupacji najeźdźcy niemieccy zostali wyparci ze zwalisk naszej stolicy, zdobytej przez wojska sowieckie. Żadna inna stolica Zjednoczonych Narodów nie doznała takiego męczeństwa i takich zniszczeń jak Warszawa, ale duch jej nie został złamany, jak dowiodła tego obrona w 1939 r. i niemająca równej sobie bitwa o Warszawę w roku 1944. Pod koniec 63-dniowej walki ginący obrońcy próbując wstrząsnąć sumieniem świata, wołali w swej rozpaczy: walczymy o wolność, walczymy o prawo do wolności. Dziś podobnie jak wówczas słowa te wyrażają to, czego Polska od świata żąda" – podkreślał premier rządu RP.
Już 17 stycznia 1945 r. sowiecki aparat terroru rozpoczął przygotowania do przejęcia kontroli nad całą stolicą Polski. Razem z żołnierzami Ludowego Wojska Polskiego do Warszawy wkroczyły oddziały sowieckie, a wśród nich jednostki NKWD. 19 stycznia gen. Iwan Sierow pisał do szefa NKWD Ławrientija Berii: "W celu zaprowadzenia należytego porządku w Warszawie wykonaliśmy, co następuje: 1. zorganizowaliśmy grupy operacyjno-czekistowskie mające za zadanie filtrację wszystkich mieszkańców zamierzających przedostać się na Pragę; 2. pracują grupy operacyjne, złożone z pracowników Ministerstwa Bezpieczeństwa Publicznego Polski i naszych czekistów, mających na celu ujawnienie i zatrzymanie kierownictwa Komendy Głównej AK, NSZ i podziemnych partii politycznych".
Po zajęciu stolicy rozpoczęto jej rozminowywanie i budowę mostu pontonowego na Wiśle. Mimo skrajnie trudnych warunków życia pod koniec stycznia 1945 r. warszawiacy zaczęli powracać do swojego miasta. Szacuje się, że 17 stycznia 1945 r. w prawobrzeżnej części – zajętej przez wojska 1 Frontu Białoruskiego i 1 Armii Wojska Polskiego 15 września 1944 r. – mieszkało 140 tys. osób, natomiast ponad 20 tys. przebywało na odległych lewobrzeżnych przedmieściach.
Do końca stycznia 1945 r. pomimo braku mieszkań, żywności, opału, oświetlenia i komunikacji ludność miasta wzrosła o 12 tys. Atmosferę tamtych dni tak wspominała żołnierka Armii Krajowej, więźniarka Pawiaka, pisarka Maria Ginter: "Na wieść, że Warszawa wolna, wysiedleńcy zapragnęli powrotu. Niezrażeni faktem, że miasto nie istnieje, domy spalone i zburzone, spieszą przekonać się o tym na własne oczy. Niekończące się tłumy ściągają wszystkimi drogami. […] Nikt nie wierzy, że można zrównać z ziemią milionowe miasto. Każdy się łudzi, że zamieszka gdzieś kątem. Że znajdzie chociaż ślady swego dawnego życia. Wielu, stanąwszy przed domem, z którego pozostała tylko kupa gruzów, odchodzi zrezygnowanych. [...] A jednak niezrażeni niczym warszawiacy twardo zdecydowali, że stolica musi pozostać na miejscu. Z niesamowitą energią i przedsiębiorczością wprowadzają życie, które kipi z dnia na dzień z coraz większą werwą. Jest to gremialny i spontaniczny ciąg ludzi, którzy ukochali to miasto ponad wszystko, którzy solidarnie stanęli do walki o jego wolność i którzy wskrzeszają je wbrew wszelkiej logice. Niemcy postanowili, że Warszawy nie będzie. Warszawiacy temu zaprzeczyli". Ich wysiłek sprawił, że władze komunistyczne, "zachęcone" również przez Moskwę, zdecydowały, że Warszawa zostanie odbudowana i pozostanie stolicą.
Łączne straty ludności stolicy poniesione w czasie II wojny światowej szacowane są na 600-800 tys., w tym ok. 350 tys. Żydów i ok. 170 tys. poległych lub zamordowanych w Powstaniu Warszawskim. Według niepewnych szacunków Biura Odbudowy Stolicy straty urbanistyczne wynosiły ok. 84 proc. (zabudowa przemysłowa – 90 proc., mieszkalna – 72 proc. i zabytkowa – 90 proc.).