Ngày 16/8/1945, Đại hội Quốc dân tổ chức tại Tân Trào. Đại hội đã nhất trí thông qua Lệnh tổng khởi nghĩa giành chính quyền về tay nhân dân cũng như bầu ra Ủy ban dân tộc giải phóng toàn quốc gồm 15 người, do lãnh tụ Hồ Chí Minh làm Chủ tịch.
Chiều hôm ấy, lễ xuất quân được cử hành dưới bóng đa Tân Trào. Đại tướng Võ Nguyên Giáp thay mặt Uỷ ban khởi nghĩa toàn quốc đọc bản Quân lệnh số 1 và cùng đoàn Giải phóng quân tiến về phía Nam.
Nhớ lại khí thế ngày xuất quân, Đại tướng Võ Nguyên Giáp viết trong cuốn hồi ký Từ nhân dân mà ra: "Trong lòng chúng tôi khi đó rạo rực lạ thường. Trước mắt chúng tôi là lá cờ đỏ sao vàng rực rỡ hào quang, xa xa là nền trời xanh cao lồng lộng, tươi sáng vô cùng của nước Việt Nam giải phóng".
Giải phóng quân tiến về Thái Nguyên, địa phương đầu tiên nằm trên đường tiến quân về Hà Nội. Thái Nguyên là một vị trí có ý nghĩa chiến lược, nằm ở phía Nam Việt Bắc, giữa triền núi Tam Đảo và triền núi Đình Cả, Yên Thế, một bàn đạp chiến lược để tiến về đồng bằng Bắc Bộ.
Lực lượng Giải phóng quân tiến về Thái Nguyên khoảng 450 người, trong khi quân số địch khoảng 400 lính bảo an và 120 lính Nhật. Theo đánh giá của Đại tướng Võ Nguyên Giáp, so với lực lượng Giải phóng quân lúc đó, quân địch tại Thái Nguyên khá mạnh.
"Mặc dầu về mặt số lượng, Giải phóng quân không đủ để tiêu diệt địch, lại lần đầu tập trung tương đối đông, đánh vào một thị trấn quân địch có nhiều công sự kiên cố, nhưng căn cứ vào tình hình đặc biệt lúc bấy giờ và tinh thần bối rối, tan rã của kẻ địch, chúng tôi quyết định hành động.
Cờ đỏ sao vàng đã xuất hiện trên bờ tre, mái đình những làng dọc đường tiến quân. Nhân dân nô nức vui mừng như đang đón chào một ngày hội lớn. Lúc này chỉ còn có một công việc: Tổng khởi nghĩa. Mọi công việc khác hầu như đã ngừng hẳn lại".
Trước áp lực của Giải phóng quân và quần chúng, viên tỉnh trưởng Thái Nguyên buộc phải chấp nhận tất cả các yêu cầu của Uỷ Ban khởi nghĩa, còn toàn thể lính bảo an đều trao lại khí giới. Một số lính bảo an xin gia nhập Quân giải phóng, một số khác xin trở về quê quán.
Trong khi đó, cuộc chiến đấu giữa Quân giải phóng và lính Nhật diễn ra ác liệt. Nhân dân dựng chiến luỹ khắp đường phố, bất chấp đạn địch, mang cơm nước, đạn dược đến cho bộ đội.
"Tiếng súng đạn không làm đồng bào khiếp sợ, mà trái lại làm cho mọi người đền hớn hở vui mừng. Lần này không phải tiếng súng đạn của quân thù tàn sát nhân dân, mà lại là tiếng súng của Quân giải phóng nổ vào đầu bọn phát xít xâm lược".
Trong diễn biến hào hùng và mau chóng của Cách mạng tháng Tám, Đại tướng Võ Nguyên Giáp không đợi được đến khi trận đánh Thái Nguyên kết thúc. Khi tin khởi nghĩa ở Hà Nội truyền đến, trung tâm công việc bấy giờ không còn ở Thái Nguyên nữa. Một bộ phận Giải phóng quân được lệnh ở lại bao vây Thái Nguyên còn Đại tướng Võ Nguyên Giáp cùng những người đồng chí tiến thẳng về Hà Nội, chuẩn bị công tác đón Chính phủ lâm thời.
"Làn sóng khởi nghĩa không những chỉ có ở Hà Nội mà còn dấy lên trên khắp đất nước từ cửa Nam Quan cho đến mũi Cà Mau. Thấm nhuần chủ trương của Đảng từ trước, thấy thời cơ đến, đảng bộ tất cả các địa phương đã phát động ngay toàn thể nhân dân đứng lên khởi nghĩa. Đồng bào tại Thủ đô Hà Nội, dưới sự lãnh đạo của Xứ uỷ Bắc Kỳ đã giành được chính quyền ngày 19/8. Nhiều thành phố lớn trên toàn quốc cũng đã giành được chính quyền".
Đại tướng Võ Nguyên Giáp nhớ lại chặng đường từ Thái Nguyên về Hà Nội: "Suốt các phố xá, các làng mạc hai ven đường đi, đâu đâu cũng rực rỡ cờ đỏ sao vàng. Lá cờ đỏ chói như ngọn lửa tin của những người chiến sĩ cách mạng, xuất hiện lần đầu trong cuộc Khởi nghĩa Nam Kỳ và sau đó lại tung bay trên núi rừng Việt Bắc, bây giờ đã tô thắm cho cả đất nước, báo tin cách mạng đã thành công".
Trước ngày Cách mạng tháng Tám nổ ra, không chỉ riêng Hà Nội mà cả dân tộc phải sống trong những giờ phút đau thương. Thành phố mang bộ mặt một sản phẩm của chế độ thực dân thời chiến và những chiếc xe chở rác không đủ để đưa những xác chết ra khỏi vùng ngoại ô, đổ xuống những hố chung. Ở các cửa ô, người đói khắp làng quê ùn ùn kéo vào. Trong khi đó, nước sông Hồng dâng cao, phá vỡ đê điều, gây ra nạn lụt ở miền Bắc.
Thế nhưng, Hà Nội đã hồi sinh mạnh mẽ trong Cách mạng tháng Tám. Sức sống mới của thành phố được Đại tướng Võ Nguyên Giáp nhớ lại trong hồi ký Những năm tháng không thể nào quên: "Cách mang nổi lên như một cơn lốc. Chỉ trong vài ngày, những vết nhơ, những nỗi nhục nhằn, khổ đau của chế độ nô lệ đã được quét đi khá nhiều.
Sức hồi sinh của cách mạng thật lạ thường. Hôm trước, cả thành phố còn tê liệt vì nạn đói, vì bệnh dịch, vì sự khủng bố. Hôm sau, tất cả những đường to, ngõ hẻm đã sôi lên. Hàng vạn, hàng vạn con người ầm ầm kéo đi với sức mạnh như những dòng thác.
Chính quyền nhân dân cách mạng vừa mới thành lập. Phần lớn đồng bào còn chưa biết những ai là người thay mặt cho chính quyền mới. Nhưng mọi người đã tự động tạo nên một trật tự mới, trật tự của cách mạng. Nạn cướp giật mất hẳn. Trộm cắp hầu như không xảy ra. Những người ăn xin cũng không còn. Hoạt động buôn bán, hoạt động chủ yếu của thành phố, đã nhường chỗ cho một hoạt động mới: hoạt động cách mạng.
Một người đi xe đạp đến đầu phố cầm loa hô lớn: "Mời đồng bào đến tập trung ở địa điểm X. tham gia biểu tình". Không biết người đó là ai, nhưng lời hô hào lập tức được truyền đi. Nhiều người dân tự động vác loa ra đứng giữa đường, làm công tác thông tin.
Ai đang làm dở việc gì cũng để lại đấy. Tất cả ào ào kéo đi. Chỉ chốc lát, hàng vạn người đã có mặt ở địa điểm biểu tình. Họ sẵn sàng làm bất cứ việc gì mà cách mạng cần đến.
Không khí Hà Nội trở nên trong lành, náo nức. "Đoàn quân Việt Minh đi, chung lòng cứu quốc...", những bài ca cách mạng vang lên rộn ràng từ sớm tới khuya. Cờ sao mỗi lúc một nhiều hơn, đẹp hơn. Cờ bay đỏ nhà, đỏ phố. Cách mạng đúng là ngày hội của những người bị áp bức".
Thắng lợi ở Hà Nội cũng có ý nghĩa tinh thần to lớn với cả nước trong cuộc Cách mạng tháng Tám. Trước cao trào khởi nghĩa của toàn dân từ Bắc chí Nam, phát xít Nhật hoang mang cực độ. Ngày 23/8/1945, hàng vạn đồng bào tuần hành thị uy tại Huế, Uỷ ban khởi nghĩa đưa thư đòi vua Bảo Đại thoái vị. Các lực lượng vũ trang khởi nghĩa chiếm các công sở và lùng bắt Việt gian. Trước áp lực to lớn của cách mạng, vua Bảo Đại tuyên bố sẵn sàng từ giã ngôi Vua.
Ngày 25/8/1945, cuộc khởi nghĩa bùng nổ ở phần lớn các tỉnh Nam Bộ. Hàng chục vạn đồng bào Sài Gòn, Chợ Lớn (nay là TP.HCM) xuống đường. Viên khâm sai của vua Bảo Đại vừa phái vào mấy ngày trước đó, buộc phải từ chức. Trước sức mạnh của quần chúng, mấy vạn quân Nhật phải ngoảnh mặt làm ngơ.
Ngày 30/8/1945, cửa Ngọ Môn tại Hoàng thành mở rộng đón phái đoàn của Cách mạng. Vua Bảo Đại đọc chiếu thoái vị, trao lại ấn, kiếm để trở thành người công dân của một nước tự do.
Thành công của Cách mạng Tháng Tám bừng lên trong hồi ức của Đại tướng Võ Nguyên Giáp: "Thế là dưới sự lãnh đạo của Đảng Cộng sản Đông Dương lúc bấy giờ có khoảng năm ngàn đảng viên, Mặt trận Việt Minh được toàn dân ủng hộ, đã giành thắng lợi vĩ đại trong cuộc Tổng khởi nghĩa suốt từ Bắc chí Nam. Cách mạng Tháng Tám đã thành công rực rỡ. Chỉ trong khoảng mười ngày, chính quyền cách mạng đã được thành lập trên cả nước. Chế độ thực dân kéo dài hơn tám mươi năm cùng với chế độ phong kiến hàng ngàn năm sụp đổ tan tành. Người ta nhổ những lá cờ quẻ ly vàng úa, một sản phẩm của thời kỳ Nhật thuộc ngắn ngủi, như bứt đi những chiếc lá sâu. Nó chìm nhanh vào sự lãng quên không để lại một dấu vết".