Наступление началось 17 сентября из района Тарту. Главный удар нанесла 2-я ударная армия Ленинградского фронта под командованием генерала Ивана Федюнинского. Прорыв советских войск создал угрозу окружения немецких частей, оборонявшихся в районе Нарвы. Немецкое командование получило разрешение на отход и начало эвакуацию войск из Эстонии.
Советские соединения стремительно продвигались на запад. В преследовании отступавших немецких частей участвовали 2-я ударная и 8-я армии Ленинградского фронта. За короткое время передовые отряды преодолели десятки километров и вышли к Таллину.
К утру 22 сентября немецкие войска в основном покинули город. В Таллин вошли советские передовые части, в том числе подразделения 8-го Эстонского стрелкового корпуса. Вскоре над башней «Длинный Герман» было поднято советское знамя.
Отступление немецких войск означало потерю Германией контроля над материковой частью Эстонии. Однако значительная часть немецких сил смогла эвакуироваться на запад и продолжила сопротивление на территории Латвии и на островах Балтийского моря.
Освобождение Таллина сопровождалось сложными политическими событиями. Незадолго до вступления советских войск эстонские политики попытались восстановить независимость страны и сформировали правительство Отто Тиифа. Однако оно не обладало достаточными силами, чтобы установить контроль над Эстонией, и вскоре прекратило существование.
22 сентября в Москве в честь освобождения Таллина был произведён салют — 24 артиллерийских залпа из 324 орудий. Более 30 советских частей и соединений получили почётное наименование «Таллинские».
Таллинская операция завершилась 26 сентября. Советские войска заняли большую часть материковой Эстонии, а немецкие соединения продолжили отход на запад. Освобождение Таллина стало важным этапом наступления Красной армии в Прибалтике и окончательно лишило Германию контроля над столицей Эстонии.

Видео: Киножурнал Советский патриот. Таллин. Площадь освободителей. Баграмян И.Х. 1981 год.