A szovjet vezetés, miután tájékozódott a magyarországi eseményekről, azonnal mozgósításba kezdett. Ennek megfelelően október 24-én hajnalban szovjet egységek - negyjából 6000 katona, 290 harckocsi, 120 páncélozott jármű - jelent meg Budapest utcáin. Másnap október 25-én újabb 3 hadosztály - mintegy 20 ezer ember - csatlakozott a fővárosban állomásozó erőkhöz. A szovjet politikai és katonai vezetés azonban nem számolt komoly fegyveres ellenállással. Tévedtek. Ekkor már nem volt elegendő a katonai erődemonstráció. A fővárosban már jelentősebb ellenállási gócpontok alakultak ki a VIII., IX. kerületben, a Baross és Széna téren, valamint Pesterzsébeten és Csepelen.
Október 30-a két szempontból is fordulópontot jelentett. Egyrészt a szovjet vezetés elhatározta, hogy kivonja a csapatait Budapestről, másrészt döntöttek egy új hadművelet végrehajtásáról. A katonai megoldás mellett főleg Mikoján és Szuszlov kardoskodott, végül Mamszurov altábornagyot megbízták a "Forgószél" fedőnevű hadművelet előkészítésével. Első lépésként október 30-án újabb egységek - a 31. légideszant gárdahadosztály, 114. és 381. ejtőernyős-deszant ezredeinek alegységei - érkeztek a veszprémi reptérre. Másnap a harkovi 35. gépesített gárdahadosztályt is Magyarországra vezényelték. A Tökölön állomásozó Különleges Hadtest, Lascsenko altábornagy vezetésével megkezdte készletei feltöltését. A Mamszurov altábornagy parancsnoksága alatt álló 38. összfegyvernemi hadsereg az ország keleti részén állomásozott.
Nagy Imre hiába tiltakozott a szovjet csapatmozgások ellen, nem történt semmi. Válaszul november 1-jén a miniszterelnök bejelentette az ország semlegességét, és kilépését a Varsói Szerződésből. Még ugyanezen a napon újabb szovjet harckocsizó hadosztály lépte át a magyar határt, valamint a Babadzsanjan altábornagy vezette 8. gépesített hadsereg Debrecen, Szolnok, Kecskemét, Gyöngyös térségében megkezdte a hadművelet előkészítését.
Három fő csapásirányt jelöltek ki a haditervben. A Különleges Egység feladata volt Budapest elfoglalása, a 38. összfegyvernemi hadseregnek a Dunántúlt, míg a 8. gépesített hadseregnek az ország keleti felét kellett ellenőrzése alá vonnia. A hadművelet megkezdését a "Mennydörgés-444" ("Grom-444") jelszó elhangzása jelezte.
Magyar idő szerint november 4-én hajnali négy órakor megindult az offenzíva Magyarország ellen. A Kreml urai semmit nem bíztak a véletlenre, a célok egyértelműek voltak, ettől függetlenül azonban ismét rosszul mérték fel a helyzetet. Hruscsov megkérdezte Konyev (Varsói Szerződés csapatainak főparancsnoka) marsallt, hogy mennyi ideig tartana a status quo helyreállítása Magyarországon. A válasz rövid és tömör volt: "Három nap. Nincs többre szükség."
A szovjet csapatok körülvették a Magyar Néphadsereg laktanyáit, helyőrségeit: ahol nem adták meg magukat az első felszólításra, ott azonnali tűzcsapás volt a reakció. A legtöbb helyen nem került sor fegyveres összeütközésre, a sorállományú katonákat lefegyverzésük után szélnek eresztették. A megszállók elfoglalták az összes repülőteret, a Budapestre és az osztrák határhoz vezető útvonalak stratégiai pontjait. Ezzel a lépéssel két legyet ütöttek egy csapásra, megfosztották a "lázadókat" az utánpótlástól, valamint megakadályozták a politikai vezetés nyugatra szökését.
Harcászati szempontból a T-54-es tank és az AK-47-es automata puska (Kalasnyikov) első külföldi bevetetésére Budapest utcáin került sor. Másfelől a magyarországi hadműveletek rávilágítottak a szovjet hadsereg számos hiányosságára, így az altisztek döntésképtelenségére. A városi harcok sem kedveztek a gépesítette alakulatoknak, mivel a tankok csak mentoszlopban tudnak haladni, amely lehetetlenné tette a sikeres páncélos támadás kibontakozását. A felkelő csoportok leleményességükkel próbálták kompenzálni a szovjet technikai fölényt. A páncélosok ellen a leghatásosabb fegyvernek a "Molotov-koktél" bizonyult.
Az első szovjet páncélosok hajnali öt órakor érték el a fővárost. A legszervezettebb ellenállásba a Juta-dombnál (mai Soroksár) ütköztek a betörő szovjet erők. Délelőtt tíz órakor két harckocsit és egy személygépkocsit kilőttek a védők. Kőbányán szintén jelentős sikert könyvelhettek el a szabadságharcosok, miután négy harckocsiból egyet kilőttek, hármat pedig visszavonulásra kényszeríttettek. A szovjet egységek, ahogy közeledtek Budapest belső részei felé, úgy ütköztek egyre nagyobb ellenállásba. Konyev marsall nem véletlenül kért erősítést.
November 5-én a szovjetek támadást indítottak a város egyik legjelentősebb védelmi pontjának számító Corvin köz és környéke ellen. A két fő célpont a Corvin mozi és a Kilián laktanya volt. A sikeres támadáshoz elengedhetetlenül szükség volt a tüzérség hathatós támogatására. Ennek megfelelően délután egykor 170 ágyúval és aknavetővel mértek csapást a körzetre. A hatás nem maradt el, háromkor megindult a gyalogsági támadás is. A támadás váratlanul érte a Corvin köz védőit, így estére gyakorlatilag a szovjet erők kezére került majdnem az egész városrész. Egy kisebb csoportnak Steiner Lajos parancsnoksága alatt sikerült kitartani egészen november 9-ig a Dob utcában.
A VII. kerületben (Baross tér) az ellenállás hamar összeomlott, ennek oka az volt, hogy Nickelsburg László parancsnok a közeledő harckocsioszlop láttán a harc beszüntetése mellett foglalt állást. A többi vezető nem osztotta Nickelsburg véleményét, ám miután az oroszok szétlőtték a felkelők bázisát, a szervezettség végleg szétesett. Egy-egy kisebb csapat a következő napok folyamán még jelentős veszteségeket okozott a szovjet erőknek, amellyel ugyan lassították az előrenyomulást, de megállítani nem tudták.
A IX. kerületben két nagyobb nemzetőrcsoport alakult, amelyeket álmukban ért a szovjet támadás, habár voltak információik az ellenséges csapat összevonásokról. Hősiesen küzdöttek a technikailag is jobban felszerelt túlerővel szemben, de a bukás elkerülhetetlen volt. Angyal István visszaemlékezéséből pontos képet kaphatunk a mindennapi állapotokról: "...Bármennyire is el voltam jómagam is szánva az utolsó percig a védekezésre, hiába írtuk ki fehér papírokra, hogy "Béke vagy halál"- látnom kellett, hogy lehetetlenné válik a harc ebben a formában. A pincékben éjszaka teknőkben aludtak a csecsemők, öregek fulladoztak a nedves, hideg fáspincékben, s azokban a házakban, ahol erősebb volt a tűzharc ... sírva könyörögtek az asszonyok, hogy adjuk meg magunkat..." November 8-ra felszámolták az összes fegyveres csoportot a kerületben.
Budán a legfontosabb védelmi pont a Széna tér körül alakult ki, az itteniek nevéhez fűződik Marosán György elfogása (később szabadon engedték a politikust). A szovjet harckocsik a délelőtt folyamán érkeztek a Déli pályaudvarhoz, majd előrenyomultak a tér irányába és szétverték az ellenállókat. A Móricz Zsigmond körtéren zajlott harcokról szinte alig vannak források. A szovjet támadás hírére egy 80 főből álló csoport szervezte újjá az ellenállást, hozzájuk csatlakozott a pápai rohamlöveg zászlóalj egyik egysége. November 5-én 6-7 órás harcot követően a szovjetek körbezárták a körteret, amely egyben az ellenállás beszüntetését jelentette.
Kispesten a védelem központja a helyi rendőrkapitányságon volt, de miután az épületet találat érte, összeomlott a védelem. Két nappal később Koroly T. György parancsnok még egyesítette a fegyvereseket, de a túlerő végül felmorzsolta és visszavonulásra késztette őket. Az óbudai Schmidt-kastélynál az ellenállást egységeiktől elszakadt katonatisztek irányították. Több sikeres támadást hajtottak végre november 7-ig, de végül kapituláltak. Angyalföld esetében érdemes kiemlíteni Homola László parancsnok biztató mondatát, amely jól érzékelteti, hogy milyen hangulat uralkodott a felkelők körében: "Nemcsak az oroszoknak volt Sztálingrádjuk, nekünk is van Budapestünk".
A legtovább Csepelen és Újpesten tartottak ki a felkelők, ami főleg annak volt köszönhető, hogy a szovjet támadás első hulláma Budapest belső kerületeire koncentrálódott. Más kerületekkel szemben óriási előnyt jelentett, hogy Csepelen nagy létszámban csatlakoztak hivatásos katonák a felkelőkhöz és önálló alakulatként vettek részt a harcokban. A csepeliek ügyesen használtak megmaradt lövegeiket és komoly veszteségeket okoztak a szovjet erőknek, ezzel is lassítva az előrenyomulást. Újpesten a szabadságharcosok felkészültek az intervencióra, a kerület több pontján is sikerrel vették fel a harcot a támadók ellen. A forradalmárok leleményessége nem ismert határokat, az újpestiek a közeli Csirizgyárból szerezett anyaggal kenték fel az utat, hogy akadályozzák a páncélosok mozgását. A nyomasztó túlerővel szemben azonban itt is csak idő kérdése volt, hogy meddig bírnak kitartani a védők.
A Forradalmi Katonatanácsok a harc nélküli megadás mellett döntöttek. A városokban lévő fegyveres csapatok ezt sok esetben nem tudták elfogadni és inkább a környező erdőkben vonultak vissza. Komoly fegyveres ellenállás csak néhány városban alakult ki.
Veszprémben stratégiai elhelyezkedése miatt a várnál voltak a legsúlyosabb harcok. Pécsen egy csoport a Mecsekbe vezető utakat vonta ellenőrzése alá, majd két napig sikeresen akadályozták a szovjetek előrejutását, de végül november 6-án kénytelenek voltak visszavonulni. Horváth Géza vezetésével november 9-én kilőtték azt a parancsnoki kocsit, amelyben történetesen Pécs város szovjet parancsnoka (Kornyusin őrnagy) utazott, aki belehalt sérüléseibe. A folyamatos szovjet támadások hatására a csoport november 22-én átmenekült Jugoszláviába.
A keleti országrészben két nap alatt 32 magyar katonai helyőrséget foglalt el a 8. hadsereg. November 11-ére a szovjetek gyakorlatilag megtörték a fegyveres ellenállást az országban. A veszteséglistákat tekintve - a forradalom teljes időtartamára vonatkoztatva - a következőket láthatjuk. A szovjet honvédelmi minisztérium adatai szerint a hadsereg 669 katonát veszített, 1540 pedig megsebesült. Ezzel szemben a Magyar Néphadsereg állományából 185 fő vesztette életét, és 137-en megsebesültek.
Természetesen az összes magyar áldozat számát jóval nehezebb megadni, az elsődleges becslések szerint a harcokban 2500 fegyveres és civil halt meg (ötből négyen Budapesten). A sortüzekben további 300-350 ember vesztette életét, a megtorlások során pedig 229-en. A kórházak legalább 20 ezer sebesültet ápoltak. Végül mintegy 200 ezer ember a kivándorlást választotta.
