Podstawowym założeniem operacji było przekonanie, że nieprzyjaciel ogarnięty paniką będzie myślał tylko o szybkim odwrocie, w związku z tym dowództwo operacji nie przewidywało poważniejszych walk o miasto poza przełamaniem posterunków lub placówek nieprzyjaciela ubezpieczających przede wszystkim skraj miasta – dalej oddziały partyzanckie miały zgodnie z założeniami bez większych przeszkód przeniknąć do Śródmieścia i opanować centrum miasta, co oznaczałoby samodzielne zdobycie go przez AK. Wilno jednak na mocy rozkazu Hitlera zostało przekształcone w ufortyfikowaną twierdzę obsadzoną przez silny garnizon.
12 czerwca 1944 r. gen. Tadeusz Komorowski „Bór” wydał rozkaz przygotowania planu wyzwolenia miasta przed wkroczeniem zbliżającej się Armii Czerwonej. Dowódca Okręgu Wileńskiego AK ppłk Aleksander Krzyżanowski „Wilk” przegrupował większość jednostek partyzanckich w północno-wschodniej części II RP i przygotowywał je do działań zaczepnych w mieście i do ataku na miasto z zewnątrz.
Uderzenie planowano wykonać pięcioma zgrupowaniami partyzanckimi. Zgrupowaniem nr 1 „Wschód” – dowodził mjr Antoni Olechnowicz „Pohorecki”, zgrupowanie nr 2 „Północ” – mjr „Węgielny”, zgrupowaniem nr 3 „Południowy Wschód” – mjr „Jarema”, zgrupowaniem nr 4 „Południe” – mjr Stanisław Sędziak „Warta”, a zgrupowaniem nr 5 „Zachód” – rtm. Zygmunt Szendzielarz „Łupaszka”. Garnizonem wileńskim miał dowodzić ppłk „Ludwik”.
Główne uderzenie miało nastąpić od wschodu i południowego wschodu. Chciano działać uprzedzająco w stosunku do uderzeń Armii Czerwonej i podkreślić samodzielność walk. Pozostałe zgrupowania wykonywały uderzenia pomocnicze. Jako termin rozpoczęcia operacji przyjęto czas przekroczenia przez Armię Czerwoną linii frontu z 1916 na wysokości Sół i Smorgoń. Datę uderzenia ustalono na godz. 23.00 7 lipca.
2 lipca 1944 r. na sygnał radiowy z Londynu zaczęła się „Burza” w okręgu wileńskim i okręgu nowogrodzkim. 3 lipca wydano rozkazy do oddziałów i nakazano jednoczesne wykonanie „Burzy” w rejonach: Dryświaty, Rychaliszki, Oszmiana, Bogdanów, Wilno, Baranowicze, Słonim, Lida i Juraciszki. Połączenie dwóch tak samo ważnych zadań niemal w tym samym czasie nie było najlepszym wariantem rozegrania walki. Komenda Główna AK rozczłonkowała wysiłki.
4 lipca na podstawie danych SD wskazujących na zbliżający się atak w garnizonie ogłoszono alarm.
7 lipca 1944 r. o świcie, w związku z szybkim zbliżaniem się Armii Czerwonej do miasta, „Wilk” zdecydował o natychmiastowym rozpoczęciu akcji, przyspieszając ją o jedną dobę w stosunku do wcześniejszych planów. Zdołano skoncentrować na czas tylko 1 z 3 przewidzianych w planie operacji zgrupowań uderzeniowych. Około 4 tysięcy żołnierzy AK wspieranych przez dwa działka przeciwpancerne oraz kilka moździerzy i granatników, mimo niezakończonej koncentracji swoich sił, zaatakowało umocnienia niemieckie od najsilniej bronionej, południowo-wschodniej strony. Pozycje te obsadzone były przez garnizon liczący kilkanaście tysięcy żołnierzy dysponujących silną artylerią oraz czołgami i działami pancernymi, a także wsparciem lotnictwa operującego z lotniska Porubanek.
W skład 1 Zgrupowania „Pohoreckiego” weszły: 3, 8 i 13 Brygada, 3 i 5 batalion 77 pp, ORKO „Groma” i OS „Wilczura”. Do 3 Zgrupowania „Jaremy” przydzielono 9 Brygadę, 1 i 6 batalion 77 pp, OD „Promienia” i OS „Gracza”.
Wyznaczony został pas natarcia od cmentarza na Rossie do Belmontu. Kierunki uderzenia wyznaczały miejscowości Lipówka, Hrybiszki, Góry i Kolonia Wileńska. Po przełamaniu obrony oddziały partyzanckie miały skoncentrować się na placu Katedralnym.
W pierwszym rzucie nacierały: 1 i 6 batalion 77 pp, 9 Brygada, ORKO[1], 3 i 5 batalion 77 pp, 8 i 3 Brygada. W odwodzie znajdował się Oddział Osłonowy „Gracza”, 13 Brygada, Oddział Dyspozycyjny „Promienia” i Oddział Osłonowy „Wilczura”
7 lipca około godziny 12 do rejonu walk nadeszły regularne oddziały Armii Czerwonej (3 korpus zmechanizowany gwardii), które o godzinie 20.00 podjęły szturm generalny, osiągając jednak tylko lokalne sukcesy, zaś wieczorem nadeszła 5 armia ogólnowojskowa generała Kryłowa, przejmując główny ciężar walk o Wilno. 8 lipca siły radzieckie wzmocniły 2 korpusy pancerne wydzielone ze składu 5 armii pancernej gwardii – w bezpośrednich walkach o miasto wzięło udział około 100 tysięcy żołnierzy radzieckich wspieranych przez kilkaset czołgów i masowe naloty lotnictwa. Garnizon niemiecki został w czasie walk wzmocniony zrzutem w okolicach miasta 10 lipca kilkuset spadochroniarzy 2 Dywizji Spadochronowej. Przez kilka dni w mieście trwały zaciekłe walki uliczne z broniącymi się hitlerowcami, w których oddziały AK współdziałały z oddziałami Armii Czerwonej.
7 lipca jako pierwsi z żołnierzami Armii Czerwonej zetknęli się partyzanci zgrupowania „Pohoreckiego”. Dowódca sowieckiej 35 Brygady Pancernej nakazał samorozbrojenie zgrupowania. Mjr „Pohorecki” na własną odpowiedzialność podjął decyzję rozwiązania podległych oddziałów i przejścia do konspiracji. 8 Brygada, która rozkaz wykonała, w następnych dniach zmuszona była odtwarzać zdolność bojową. Ppłk „Wilk” odwołał „Pohoreckiego” i wyznaczył nowego dowódcę zgrupowania. Został nim mjr Antoni Wasilewski „Olesiński”.
W dzielnicy Kalwaryjskiej operował 2 batalion 85 pp kpt. Bolesława Zagórnego „Jana”. W Śródmieściu walczyły też kadrowe kompanie batalionu kpt. Józefa Grzesiaka „Kmity”. 8 i 9 lipca podjęły działania zaczepne, lecz bez powodzenia. Dopiero od 10 lipca zaczęły odnosić pierwsze sukcesy. Zdobyto skład broni w gmachu starostwa przy ul. Żeligowskiego, kompleks domów przy Jagiellońskiej i duży obiekt przy Sierakowskiego. W rękach polskich znalazł się teren, którego granice stanowiły: od północy ulica Poznańską, od strony południowej – Dominikańska i Trocka, a od zachodu Zawalna. 12 lipca opanowano jeszcze ul. Poznańską i Gdańska aż do skrzyżowania z Zawalną i Jagiellońską. Od wschodu granicę stanowiła ulica Tatarska do Dobroczynnej. W innych dzielnicach też walczyły oddziały AK. Między innymi oddział ppor. Mariana Homolickiego „Wiktora” opanował więzienie na Łukiszkach i uwolnił dużą grupę aresztowanych.
13 lipca pchor. Jerzy Jensch „Krepdeszyn” z częścią plutonu osłonowego zlikwidował na Górze Zamkowej gniazdo ciężkiego karabinu maszynowego i około godziny 11 zawiesił razem z kpr. Arturem Rychterem ps. „Zan” biało-czerwoną flagę na wieży zamkowej.
Do 13 lipca oddziały sowieckie we współdziałaniu z AK zdobyły Wilno – część sił niemieckich (około 3 tysiące żołnierzy dowodzonych przez komendanta Wilna generała Reinera Stahela) zdołała w nocy w przeddzień zakończenia walk wyrwać się z miasta w bitwie pod Krawczunami, poniosła jednak spore straty w starciu ze zgrupowaniem AK majora „Węgielnego”. Straty oddziałów AK na Wileńszczyźnie w czasie operacji „Ostra Brama” wyniosły kilkuset zabitych, rannych i zaginionych.
Po zdobyciu Wilna dowództwo sowieckie nakazało żołnierzom AK wyjść z miasta. Płk Krzyżanowski rozkazał przeprowadzić oddziały na skraj Puszczy Rudnickiej, a sam udał się do kwatery dowódcy 3 Frontu Białoruskiego gen. Czerniachowskiego i uzyskał od Sowietów obietnicę, że ci dostarczą wyposażenie dla jednej dywizji piechoty i jednej brygady kawalerii, bez żadnych warunków politycznych. 16 lipca płk Krzyżanowski został ponownie zaproszony na spotkanie z gen. Czerniachowskim na podpisanie stosownego porozumienia. Na spotkanie pojechał z szefem sztabu mjr. Teodorem Cetysem. Z tego spotkania oficerowie nie wrócili do oddziałów. Inna grupa oficerów, omawiająca z oficerami sowieckim w miejscowości Bogusze szczegóły wyposażenia dywizji, również została aresztowana i osadzona w więzieniu w Wilnie.
W całej operacji wileńskiej brało udział około 9 tysięcy żołnierzy AK na terenie okręgu wileńskiego i około 6 tysięcy na terenie okręgu nowogródzkiego.
W sumie (wraz ze schwytanymi w lasach pod Wilnem) w czasie akcji „Burza” na Wileńszczyźnie internowano ok. 5 tys. podoficerów i szeregowców, umieszczając ich początkowo w obozie w Miednikach skąd 1/4 zbiegła, zaś oficerów wywożąc do Riazania. Niektórzy po pewnym czasie zdecydowali się wstąpić w szeregi 1 Armii Wojska Polskiego. Większość została jednak przymusowo wcielona do pułku rezerwowego Armii Czerwonej, zaś po odmowie złożenia przysięgi osadzona w obozie dla internowanych AK-owców w Kałudze do wyrębu lasów, skąd byli stopniowo zwalniani w latach 1946-1947.
Pozbawione większości dowódców i zdezorientowane oddziały polskie wycofały się do lasów otaczających Wilno. Ocenia się, że do 18 lipca w tym rejonie znalazło się ok. 6 tys. żołnierzy i kilka tysięcy ochotników. Zostali odkryci przez NKWD i internowani lub rozproszyli się.
