卡累利阿战役结束后，消灭北方德军的准备工作又重新开始了。方面军辅助指挥所急忙转移到坎达拉克沙，第七集团军的一些兵团也调到该地。由此，苏军在极圈内地区部队得到加强，而德军由于芬兰从苏联领土上撤走了自己的军队却相对削弱了。现在，德军第二十拉普兰集团军的南翼暴露了。于是，梅列茨科夫拟定计划，决定实施正面突击，并插入德军后方，实施合围突击。
9月7日，德军指挥部由于害怕苏军向其山地步兵第十八军翼侧前出，开始将该军撤离乌赫塔方向。斯克维尔斯基将军把这一情况报告给方面军司令部后，梅列茨科夫立即下令追击。早在一天前，梅列茨科夫就已下令第十九集团军把部分主力前调到德军第三十六军的后方。
方面军司令部周密研究了预定的行进路线，仔细考虑了铺设急造军路的各种问题，行军纵队的编成、行车的保障与警戒等问题。为了使铺设急行军路的工作不致耽搁，每个纵队的先头都配有工兵。给各个先头步兵分队都发放了斧头、工兵锹、钢锯和钢钎。出发前，后勤部门还给所有战士都补助了应急储备食品，增加了子弹和手榴弹储备。因为在皮亚奥泽罗湖、奎托湖地区的山林地内，在几乎完全没有道路而航空兵又忙于在别处作战的情况下，部队脱离了后方，其补给将成问题。
第十九集团军前进到一个高地。它通过难走的地形完成了将近100公里的行军，9月12日凌晨，出敌意外地深远迂回了德军阵地，切断了交通线。集团军在北地段实施同时突破，又在南面辅助方向上实施迂回，从而使德军受到被围歼的威胁。法西斯德军由于害怕全部被围，便急忙放弃阵地，丢掉物资和装备，向芬兰北部撤退。
梅列茨科夫得知第十九集团军已截断凯拉勒地区的道路后，便立即用直通电话将这一情况报告了第一副总参谋长安东诺夫大将。但是，到夜间，梅列茨科夫收到的电报却说，无论如何不能同德军的退却部队打硬仗；不能由于深远迂回把自己的部队拖垮；消灭敌人主要靠沿敌退路配置好的火器。
梅列茨科夫不理解大本营为什么不让采取进攻行动合围德军第三十六军。大本营解释说：眼下最重要的是保存力量，完成极圈内地区的首要任务，即解放佩琴加地区。北极地区对德国具有重要意义，那里有镍矿场，有海空军基地，活动在苏联海上交通线上的潜水艇和飞机都集中在那里。德国人并不打算从那里逃走，我们必须用武力赶走他们。而追击德军第三十六军就要消耗预备队，没有预备队就不能在摩尔曼斯克方向发起战役。
大本营还解释说，目前还抽不出兵力支援梅列茨科夫，而且还不排除在近期内从他那里抽部分兵力，调到西方向的可能性，大本营需要的部队恰恰是眼下正在追击德军的第十九和第二十六集团军的那些兵团。
也就是说，梅列茨科夫必须把位于卡累利阿方面军中央地区的兵力为其他方面军保存下来，而他们自己则要考虑，如何把步兵第三十一军尽快从坎达拉克沙调往摩尔曼斯克，以便趁沿芬兰内地撤退的德军兵力赶来之前，解放北极地区。
到9月17日，第二十六集团军已前出到战前的苏芬国界，到9月30日，第十九集团军也肃清了苏联境内的德军。
现在，从拉普兰的峭壁到拉多加湖的洼地，几乎整个苏联国界都已光复。只有北极地区仍被德军盘踞，德军山地步兵第十九军依靠钢筋混凝土和石质坚固工事作掩护，驻守在那里。
在3年期间，德军在该地建起了拉普兰防御要塞。芬兰此时已经退出战争，德国人缺少了帮手，只好拼命增修防御工事。侦察表明，德军的专业建筑部队正在夜以继日地钻凿岩石，修造新的钢筋混凝土和装甲火力点与掩蔽工事，挖掘堑壕和交通壕。
在苏军当面90公里长的战线上，布满了桩砦和防坦克壕、密集的地雷场和铁丝网障碍物，这些工事切断了所有的山垭口、谷地和道路。各制高点都变成了真正的山地要塞。此外，朝海方向有配置在掩体内的岸炮和高炮掩护。各筑垒工事之间有无数的河湖、峭壁、沼泽与泥潭。
德军企图依托防御要塞，阻止苏军进入挪威，保护其巴伦支海的基地。佩特萨莫-基尔克内斯德军集团共有约5.3万人、770门火炮和迫击炮、160架飞机和45艘军舰。
苏军截获的德军山地步兵第二师师长杰亨中将在命令中引用希特勒的命令说：无论如何也要守住北挪威的阵地，特别是镍矿开采区。命令写道：
我们可以让俄国人向坚固筑垒的支撑点猛攻，然后通过反突击将他们消灭。一切有利条件都在我们一边。我们有作好反突击准备的快速预备队，能在敌人被我支撑点的致命火力打得流尽鲜血的时刻实施突击。尽管芬兰在政治上背叛，我们仍奉命守住防线。这表明，防线必能守住。你们知道，必须这样做的原因是：我们需要科洛希奥基的工厂加工的镍和铜。在最近几天，这里的冶炼炉将重新冒烟。此外，我们恰恰要在这里告诉俄国人，德国军队还存在，并将守住俄国人无法攻克的阵地。
德军还继续从陆地、空中和海上往北极地区赶运增援。据苏军前方侦察员送来的报告，德军佩特萨莫与基尔克内斯之间地区的兵力正迅速增多。梅列茨科夫认识到，此仗必须速战速决，动作缓慢是不利于自己的。
在准备进攻的过程中，苏军多次讨论了使用方面军作战兵力的各种最佳方案。多数人赞成快速行动，但也有反对意见。有的人断言，在极圈内地区无法实施大兵团和重装备的机动。当年德军发动战争后向苏联领土推进最不顺利的地方就在这一地区。
在极圈地区以北的濒海高原上，部分海面虽不封冻，但却十分寒冷。那里有时而从海上向内陆刮来摩尔曼斯克夏季所特有的强风，以及越来越强的冬风。在秋季的恶劣天气里，则是雨雪交加，常常一夜之间便满地冰霜。地表的深处是一片片永久冻结的小洲。
周围是一个挨一个的湖泊，水光闪濯。湖间的沼泽里杂生着草丛、苔藓和低矮树丛。灰色的泥炭地已被挖出条条深沟，沟里满是清澈的冰水。有些地方耸立着一个个光秃秃的巨大石峰。湍急的河流在各石峰之间穿过，基本上都是由西南向东北流去。同大陆性气候的更寒冷地区相比，人员在这里更感寒冷。
在这种环境下，不仅人会冻伤，就是车辆也会上冻，给发动机升温十分困难。油料消耗大大超过标准，而此时油料本来就不足，这就明显降低了使用技术兵器的可能性。
尽管如此，为了打败德国人，仍然需要作战。苏军当前战役计划的基本设想是，以主力对德军第二十拉普兰集团军和主要坚固工事实施翼侧迂回，在恰普尔湖以南实施突破。尔后，方面军各主要兵团和北方舰队的军舰实施机动，在佩特萨莫地域围歼德军集团，以便将德军逼向海岸并切断他们同挪威港口的联系。
通往佩特萨莫的道路共有四条。一条是利纳哈马里往北，直到佩特萨莫河口；另一条道路起于西面的挪威港湾托尔内特；第三条路来自东面位于德军阵地中央的季托夫卡列卡村；第四条路来自南面，它同另几条路形成一个道路枢纽，把佩特萨莫同卢奥斯塔里沟通起来。正是这个道路枢纽引起苏军重视。
梅列茨科夫认为，必须突向卢奥斯塔里，插入敌后并从那里把德军的兵力引出防御要塞，这样就能用陆军部队和海军步兵从3个方向实施联合突击，攻克要塞。然后，再从卢奥斯塔里向佩特萨莫、挪威国土、尼克利和瑙齐三个方向发展胜利。这些地区有德国的重要工业基地和通向基地的道路。战役的最终目的，是彻底肃清苏联北方国土的敌人，并支援挪威的解放。
按照梅列茨科夫的计划，苏军的主要突击指向卢奥斯塔里，由第十四集团军第九十九和第一三一军以及轻步兵第一二六和第一二七军实施。后两个军应通过冻土地带实施深远的迂回机动，切断德军的交通线。到达卢奥斯塔里地区后，近卫坦克第七旅向佩特萨莫方向投入战斗，阻止德军向挪威撤退。
战役计划上报到大本营，立即得到批准。北方舰队受领的任务是：封锁德军占领的海岸，切断佩特萨莫德军集团同海上的联系；配合第十四集团军分割敌防御，攻占各港口；海岸炮兵和军舰对地面部队在濒海地段的进攻实施火力支援。为了协商联合行动，北方舰队司令员戈洛夫科和军事委员会委员尼古拉耶夫于9月29日来到方面军指挥所。他们决定：编入北方防御地区的各海军步兵旅在斯列德尼半岛地峡突破德军防线，尔后切断德军从基本防御地区沿西利察河的退路，最后，只有当第十四集团军突破德军主要防御地带时，再向佩特萨莫实施进攻。此外，北方舰队还要保障登陆兵的上陆和从摩尔曼斯克给第十四集团军输送预备队和补给品。10月7日清晨8时，随着一阵巨响，飞蝗一样的炮弹射向对岸。苏军开始发动攻击了。炮火准备结束时，整个大地都被浓烟笼罩。随后又飘起了薄薄的雪花，空中的能见度已被完全湮没。10时30分，炮兵准时向纵深延伸，几分钟后，“乌拉！”的喊声便传遍了荒漠。这是步兵发起了冲击。第一三一军第一天就到达了季托夫卡河。第九十九军起初发展不太顺利，未能攻占德军主要防御地带的各支撑点。他们的第一梯队步兵分队一发起冲击，就遭到猛烈射击，被迫卧倒。苏军现场指挥米库利斯基少将发现白天攻击困难，就决定夜间实施突击。24时整，苏军士兵们再次发动攻击，这一次法西斯德军顶不住了。晨8时，苏军攻占了德军前沿。10月9日傍晚，梅列茨科夫用直通电话同戈洛夫科联系并转告他，从斯列德尼半岛进攻的时机到了。同时，梅列茨科夫命令集团军司令员谢尔巴科夫让皮加列维奇中将的军队集群出动。该集群下辖的各兵团配置在西利察河以东，即德军突入苏军领土最深、妄图进到摩尔曼斯克之处。皮加利维奇的军队集群在大雪中转入进攻。当夜，海军登陆兵在马季乌奥诺海湾上陆，他们翻过穆斯特一童图里山，分割了德军部分兵力后，向佩特萨莫推进。
不久，左翼也传来了佳音。轻步兵第一二六军在索洛维约夫上校指挥下在那里实施迂回机动。所有金属装具预先都已包扎好，火炮、迫击炮和机枪都用马和鹿驮载。各部队静悄悄地行进。强渡河流是十分艰苦的。战士们背着武器和弹药在齐腰深的冰水中走过。在通往库奥尔普卡斯峰的接近地，战士们像登山运动员一样，沿着荒瘠光滑的石山，鱼贯前进。
在艰难地带进军的第四天，第一二六军克服困难，抵达了佩特萨莫-萨尔米雅尔维道路和卢奥斯塔里以西，并切断了道路。德军发现丢掉了通向南方的主要交通线，便使用现有的一切力量，向第一二六军扑来。德军赫利特泽尔中将回忆说：“所有摩托化部队、所有能搭载运输车辆的部队，都强行军，赶往科洛希奥基地区。”
后来，在苏军步兵当面还出现了“挪威”自行侦察旅、机场勤务营以及德军其他许多部队和分队。他们密密麻麻、不顾一切地向苏军阵地涌来。苏军则沉着应战，英勇顽强地打退了德军疯狂的进攻。然后又急行军，切断了从佩特萨莫到托尔内特的第二条道路。现在，德军北方集团已丧失了最后的陆上交通线。
轻步兵第一二七军在A·朱可夫少将指挥下尾随友军前进。夜间，该军夺占了卢奥斯塔里的机场，随后与第九十九军第一一四师配合肃清了该居民地的德军。由于海军步兵和皮加列维奇集群各兵团正由东向佩特萨莫接近，第一三一军由南挺进，海军步兵第七十二旅在西面监视德军。
10月13日，北方舰队登陆兵攻占利纳哈马里港湾以后，便由北对德军造成威胁。现在，坚守佩特萨莫的德军已被四面包围起来。战斗很快打响了。经过两天激战，在佩特萨莫上空也飘起了红旗。
德军残余部队突围后，向挪威北部逃窜。退却中，他们炸毁了桥梁、道路涵洞；捣毁了路侧岩壁，堵塞了通道；甚至还动用飞机轰炸路基；在道路上埋设地雷。不仅如此，为了迟滞苏军前进，以便在挪威北部和尼克利地区组织两个新的防御地区，德军还派出后卫部队依托预有准备的有利地形，伏击沿途的追击部队。
此时，苏军面临着双重任务：一是彻底消灭尼克利地区的法西斯德军，夺取德国最重要的工业区；二是对挪威北部的德国海军基地实施突击，把挪威居民从占领军的压迫下解放出来。这意味着红军必须越过挪威国界。
在尼克利地区，由德国将军弗格利指挥的军队集群负责防守。弗格利把从卢奥斯塔里撤退来的和从芬兰转移来的部队和分队收拢到一起，企图按照柏林的旨意，尽可能长期地坚持抵抗。然而，卡累利阿方面军只用了一个礼拜就到了尼克利，又用了5天时间就打通了库奥尔普卡斯山与瑙齐之间80公里的荒凉、多石的沼泽地。
10月27日，苏军阿布萨利亚莫夫少将的第三十一军从东，轻步兵第一二七军从北突入了瑙齐。南面就是已退出战争的芬兰。
要对付挪威北部的德国基地就比较复杂了。梅列茨科夫到达挪威边界后，立即把情况报告了斯大林，并请求批准打过国界。同时，梅列茨科夫还陈述了方面军首长关于夺取德军在该地的主要海空军基地基尔克内斯的方案。
斯大林听了说：“这个方案很好！”便批准了作战计划。
在挪威境内的作战就这样开始了。当时，挪威是苏联红军从希特勒枷锁下解放的第七个国家。
10月22日，第一三一军打响了夺取托尔内特市的战斗。同时，海军步兵在舰炮的支援下扫清了海岸地带。德军不久便开始向希尔克内斯撤退，途中他们设置了各种障碍并破坏了道路。
通往基尔克内斯的道路埋了大量地雷，海湾的吊桥也被炸毁。德军还以火炮、迫击炮的火力阻挠苏军排雷，迟滞苏军的前进速度。在这种情况下，苏军决定用水陆两用汽车和鱼船强渡亚尔湾，绕过德军。
但海湾两岸是陡峭的岩石，想找到一个入水处颇不容易。不过，经过努力，苏军的水陆两用汽车终于还是下了海湾。德军发现苏军的意图后，开始开枪开炮，炮弹在两用汽车的前方和右侧爆炸，车旁涌起大浪，炮弹炸出的漩涡打着转。但同行的渔船却显得比轻型水陆两用汽车稳当多了。有几辆水陆两用汽车被打翻沉没了。乘坐两只摩托艇出海的挪威爱国者立即跳入海中，他们不顾德军的枪林弹雨，救起了被击毁的水陆两用汽车的乘员，并把他们送上了对岸。
后来在强渡埃尔维涅斯海湾时，苏军只好重新想办法，第十四师用木笺建起了登陆渡口，当地居民也纷纷前来支援。
10月25日晨9时，苏军先头部队突入基尔克内斯。眼前一片凄凉景象：德军撤退时炸毁了所有港口设施，破坏了办公大楼和住房。只有城郊某些地方的小房奇迹般地保存下来。当枪声停息，恢复了平静时，为了逃避法西斯匪徒而被迫躲到山洞里的城市居民，才陆续出现。
基尔克内斯的居民兴高采烈地欢迎了苏联军人。令人感动的是，这些平时沉默寡言的北极人都热泪盈眶地拥抱了苏联军人。姑娘们还主动照顾受伤的苏军战士，小伙子们也忙着把他们送往医院。
内登是卡累利阿方面军到达的最后一个居民点。苏军到达这里后，战斗已基本结束，少量溃散的德军已没有必要动用大部队去清剿，因为挪威抵抗运动战士就足可以对付他们。
再往前就是遍布海湾的荒凉的山区。极夜就要来临，暴风雪已经开始，路上满是积雪和几乎无法克服的雪堆。派往西北方向的侦察员报告说，前方行动极端困难，已经看不到德军。
10月28日，梅列茨科夫主持召开了方面军军事委员会会议，与会军事首长一致认为，战役已经结束。卡累利阿方面军和北方舰队受领的任务已全部完成，法西斯德军已被消灭，其残余部队已被赶出苏联北方。不仅如此，苏军还支援了挪威的解放。
10月29日凌晨，梅列茨科夫打电话给大本营，报告了方面军军事委员会关于结束战役的决定。
斯大林拿起电话回答说：“好吧，我们将讨论你们的建议。你们认真地分析了各方面的情况，再考虑一下可能出现的具体问题，傍晚作出最后报告。”
梅列茨科夫和副司令员弗罗洛夫以及集团军司令员谢尔巴科夫在第十四集团军指挥所再次研究了形势。一切表明，继续军事行动是徒劳无益的。会后，梅列茨科夫乘飞机到了摩尔曼斯克。
佩特萨莫-基尔克内斯战役就这样结束了，为了庆祝极圈内地区军人们的胜利，莫斯科放了3次礼花：第一次是在10月15日庆祝解放佩琴加；第二次是在10月25日庆祝苏军越过挪威国界，继尔攻占基尔克内斯；第三次是在11月1日庆祝卡累利阿方面军彻底肃清佩琴加地区的法西斯德军。
为了纪念1941年至1944年北极地区取得的胜利，苏联最高苏维埃主席团颁发了“保卫苏联极圈内地区纪念章”。在铜质纪念章上标有一名身穿短皮袄、头戴遮耳冬帽、手持冲锋枪的苏军战士，战士身后画有军舰、飞机和坦克。这枚纪念章铭记了苏军战士艰苦而光荣的业绩。
1944年12月6日的《真理报》写道：
保卫北极地区的英勇事迹，将作为最光辉、最值得纪念的一页载入史册。1941年秋，在那里敌人被阻止住了。在有的地方，敌人在整个战争期间都未能跨过我国的国界……
挪威人民高度评价苏联红军为解放他们的国家所做出的贡献。挪威国王哈康七世在1944年10月26日的广播演说中说：
我们有许多证据说明，苏维埃俄国政府和人民对我国是友好、同情的。我们一直激情满怀地注视着苏联为反对我们共同敌人而进行的英勇、胜利的斗争。每个挪威人的义务是，给我们的盟友以最大的支援。
解放北极圈的战斗结束后，梅列茨科夫又于1945年8月指挥远东第一方面军参加了“八月风暴”行动，迅速歼灭了日本关东军主力，获得了苏联最高军事荣誉——胜利勋章。