К 8 ч. 30 мин. в канал прошли все катера. У входа остались дозорные катера и пост СНИС, а остальные катера направились к Вилково.
В 9 ч. 00 мин. катера завязали бой с противником, скопившимся для переправы в Вилково. При подходе головных катеров к восточной окраине Вилково противник открыл по ним беспорядочный и малоэффективный артиллерийско-пулеметный огонь. Четыре бронекатера пошли к переправе, а остальные под прикрытием дымзавесы — к порту Вилково и высадили десант из личного состава кораблей.
К этому времени 80 человек из 384-го отдельного Николаевского батальона морской пехоты, действовавшие со стороны Жебриян, ворвались в город и завязали бой на улицах. Деморализованные войска противника почти не оказывали сопротивления. В 10 ч. 30 мин. неприятельский монитор, находившийся выше Вилково, открыл огонь по городу. К 12 ч. 00 мин. Вилково было очищено полностью от противника. В бою было уничтожено до 300 солдат и офицеров, взято в плен до двух тысяч солдат и офицеров и захвачено много трофеев.
Высадка десанта в Жебрияны и прорыв катеров Дунайской флотилии в Дунай обеспечивались восемью торпедными катерами, развернутыми в дозоре у острова Фидониси под прикрытием четырнадцати самолетов 43-го авиаполка.
В 10 ч. 45 мин. по распоряжению командующего Дунайской флотилией отряд бронекатеров (№№ 33, 82, 215, 422, 434) под командованием капитан-лейтенанта Барботько вышел из Вилково и Новой Килии для разведки и нарушения переправ противника. В 5 км от Вилково отряд обнаружил замаскированный вражеский монитор, который вел огонь по селению Вилково. При подходе отряда монитор перенес огонь на бронекатера. Катера открыли ответный огонь. По вызову командующего Дунайской флотилией 10 самолетов Пе-2 29-го авиаполка в сопровождении шести Як-9 6-го гвардейского авиаполка бомбардировали монитор. В 11 ч. 08 мин. монитор был оставлен командой и затонул. На бронекатере № 434 был ранен один человек.
С 12 ч. 05 мин. до 12 ч. 12 мин. три самолета Пе-2 29-го авиаполка в сопровождении двух Як-9 6-го гвардейского авиаполка безуспешно бомбардировали неприятельский катер на подходе к Вилково.
В 12 ч. 05 мин. шесть самолетов Ил-2 23-го штурмового авиаполка в сопровождении четырех ЛаГГ-3 25-го авиаполка штурмовали замаскированное судно противника в гирле Черновка и повредили его.
В 12 ч. 17 мин. шесть самолетов Пе-2 40-го авиаполка в сопровождении четырех истребителей 43-го авиаполка бомбардировали монитор противника в 6 км восточнее Килии и потопили его.
Потопленными мониторами румынской флотилии оказались «Михаил Когальничеану» и «Ласкор Катараджиу».
В 13 ч. 27 мин. пять бронекатеров под командованием капитан-лейтенанта Барботько подошли к порту Килия Веки (Старая) и открыли огонь по артиллерийским и минометным батареям противника, прикрывавшим переправу через Дунай, Подавив батареи, катера перенесли огонь по баржам и буксирам, стоявшим у берега. Были потоплены две груженые баржи и пароход. В 13 ч. 42 мин. бронекатера открыли огонь по порту Новая Килия. Противник вел ответный огонь. Бронекатера подожгли четыре баржи, уничтожили буксирный пароход, рассеяли и частью уничтожили войска, ожидавшие переправы. После этого бронекатера легли на обратный курс и, подойдя к берегу, в 10 км от Вилково установили дозор, чтобы не допустить прорыва неприятельских кораблей к городу.
В 15 ч. 15 мин. три бронекатера с 95 бойцами 384-го отдельного Николаевского батальона морской пехоты, в 16 ч. 30 мин. восемь бронекатеров с 285 бойцами 369-го отдельного Керченского батальона морской пехоты и в 17 ч. 30 мин. 18 торпедных катеров с 613-й отдельной штрафной ротой (274 бойца) вышли из Одессы и к исходу дня 24 августа прибыли в Вилково для усиления частей, действующих на Дунае.
В 2 часа ночи 25 августа пять бронекатеров под командованием капитан-лейтенанта Барботько, приняв на борт 80 бойцов 613-й штрафной роты, вышли из Вилково, скрытно подошли к порту Новая Килия и в 5 ч. 45 мин., не встретив сопротивления противника, начали высадку десанта. Но через 5 минут противник обнаружил катера и открыл беспорядочный огонь из пулеметов и минометов. Наши катера отвечали интенсивным огнем, часть огневых точек противника была подавлена, и десант смог перейти в атаку. К 6 ч. 30 мин. был захвачен порт, и бойцы штрафной роты вели бои в юго-восточной части города, тесня противника к его центру.
К этому времени к городу подошла вторая часть 613-й штрафной роты, переброшенная из Одессы в Жебрияны днем 24 августа, и ворвалась в Новую Килию с севера. Противник прекратил сопротивление, и к 7 ч. 50 мин. 25 августа город был полностью очищен.