17 июня 1940 года был разработан план военной операции по возвращению Бессарабии в состав СССР. Согласно ему, войска 12-й армии из района близ Черновцов должны были следовать вдоль Прута и вместе с войсками 9-й армии из Тирасполя, южнее Кишинева на Хуши, нанести охватывающий удар противнику, окружить его в районе Бельц и Ясс. Также предусматривались авиаудары по румынским войскам и аэродромам, после чего следовала высадка десанта 201-й, 204-й и 214-й авиадесантных бригад в городе Тыргу-Фрумос. Десантирование должно было производиться со 120 самолетов ТБ-3. Прикрывать все авиаудары и десант должны были 300 истребителей. Черноморский флот обязан был вести бой с румынским флотом.
19 июня 1940 года в Проскурове состоялись специальные занятия с командующим составом.
20 июня 1940 года германскому послу в Бухаресте было передана просьба о помощи в защите Румынии от грядущего военного конфликта с СССР: «идентичность интересов, которая связывала оба государства в прошлом, определяет также сегодня и определит еще сильнее завтра их взаимоотношения и требует быстрой организации этого сотрудничества, которое предполагает сильную в политическом и экономическом отношении Румынию, ибо только такая Румыния явится гарантией того, что она сможет выполнять свою миссию стража на Днестре и в устье Дуная».
22 июня 1940 года войска советских 5-й, 9-й и 12-й армий начали проработку деталей операции.
23 июня 1940 года советский нарком иностранных дел Вячеслав Молотов заявил германскому послу Вернеру фон дер Шуленбургу о намерении СССР в ближайшем будущем присоединить к себе Бессарабию.
Также Молотов заявил, что советская сторона ожидает поддержки со стороны Германии в этом вопросе и обязуется охранять ее экономические интересы в Румынии. Шуленбург ответил, что это решение является для Германии полной неожиданностью, и попросил не предпринимать никаких решительных шагов до прояснения позиции немецкой стороны. Молотов заявил, что СССР будет ждать реакции Германии до 25 июня.
25 июня 1940 года на Южный фронт была передана Директива о политработе в период боевых действий. В тот же день германский посол Шуленбург передал Молотову заявление Риббентропа, в котором говорилось что «Германское правительство в полной мере признает права Советского Союза на Бессарабию и своевременность постановки этого вопроса перед Румынией...»
Также в послании выражалось беспокойство за судьбу проживавших на этих территориях этнических немцев. Риббентроп также заявил, что Германия остается верной Московским соглашениям, будучи, однако, «крайне заинтересованной» в том, чтобы территория Румынии не стала театром военных действий.
В этих целях Германия, со своей стороны, выразила готовность оказать политическое влияние на Румынию с целью мирного решения «бессарабского вопроса» в пользу СССР.
26 июня 1940 года Молотов вручил румынскому послу в Москве Георге Давидеску требование советского правительства немедленно вернуть Бессарабию Советскому Союзу.
27 июня в Румынии была объявлена мобилизация. В тот же день Молотов заявил, что в случае невыполнения требований советские войска готовы пересечь румынскую границу. Поздним вечером Коронный Совет Румынии оценил положение государства и решил выполнить требования СССР.
В ночь на 28 июня 1940 года Бессарабский обком румынской Компартии создал Бессарабский Временный Ревком, который обратился к населению и призвал сохранять спокойствие и порядок. Утром повсеместно начали создаваться временные рабочие комитеты, дружины, отряды народной милиции. Они брали под контроль предприятия и другие важные объекты, защищая их от посягательств, начавших отступление, румынских войск. В Бессарабии началось массовое мародерство, учиненное румынскими войсками. Часть румынских солдат, уроженцев Бессарабии, воспользовавшись суматохой, бросили оружие, обозы и разбежались по домам.
В Кишиневе народной милицией был задержан эшелон с ценностями, подготовленный для отправки в Румынию, в Бельцах рабочие помешали вывозу в Румынию оборудования сахарного завода. Однако отступавшим румынским войскам удалось вывезти часть бессарабского имущества, в том числе отнятого у местного населения. Потери сельских жителей Бессарабии составили около 1 млрд леев.
Войска Красной армии перешли Днестр в районе города Бендеры в 14 часов 28 июня 1940 года и к 10 часам вечера были уже в Кишиневе. 28 июня 1940 года РАТАУ распространило сообщение ТАСС: «Сьогодні о 2 годині дня радянські війська перейшли румунський кордон на всьому протязі північної частини Буковини і Бессарабії».