8月15日，日军猛虎山司令部通过无线电接收机收听到了日本天皇宣布无条件投降的"玉音广播".日军代理司令官大木正大尉对此拒不相信，命令日军关掉收音机，继续顽抗，并派日军偷偷潜出洞外偷袭苏军。偷袭失败后，大木正大尉命令 140余名伤兵全体"玉碎".8月18日，苏军指挥部向日军守备队发出最后通牒，日军残余官兵仍坚持顽抗，将苏军派去充当军使的一名日军战俘用军刀砍死。劝降失败后， 8月19日，苏军第35集团军调来203毫米火炮、 34门大威力火炮及火箭炮对虎头要塞两翼阵地进行射击后，步兵向虎头要塞两翼阵地发起强攻，经过一天的激烈战斗，苏军占领了日军虎头要塞的各个制高点，此时的日军已无险可守，实力也消耗殆尽，只好转入地下工事负隅顽抗。不久在苏军强大的攻势下，日军守备队本部、中猛虎山、东猛虎山阵地日军守备队步兵 1中队、步兵队本部、步兵炮中队、炮兵队本部全部很快被苏军歼灭。8月21日，苏军歼灭了日军西猛虎山步兵第三中队。 8月26日，苏军歼灭了日军虎啸山步兵1中队。8月 27日，苏军歼灭了日军中猛虎山守备队炮兵2中队。至此，虎头要塞各支撑点的日军守备队1387人，除 53人突出苏军包围逃走外，全部被歼灭。
参加过虎头要塞战斗并幸运生还的日军士兵冈崎哲夫在《日苏虎头决战秘录》一书中描写到："战争结束了，要塞到处都是烧焦发黑的尸体，漂白了的尸骸，没有肌肉仅剩一幅皮囊的死尸，涂满黑色的肌肉块……这个建立在中国人民血汗和尸骨基础上的要塞是日本侵华暴行的历史见证。"
