14 июля Ставкой ВГК был отдан приказ на проведение операции. Местные штабы партизанских движений и их представительства на фронтах определили участки и объекты действий каждому партизанскому формированию. Партизаны обеспечивались взрывчаткой и минно-подрывной техникой, к ним были посланы инструкторы-подрывники. Только в июне 1943 года на партизанские базы заброшено 150 тонн толовых шашек специального профиля, 156 тысяч метров огнепроводного шнура, 28 тысяч метров пенькового фитиля, 595 тысяч капсюлей-детонаторов, а также оружие и боеприпасы. Активно велась разведка железнодорожных коммуникаций.
Всего к выполнению первой такой операции были привлечены 167 бригад и отдельных отрядов. В них входили белорусские, ленинградские, калининские, смоленские, орловские и часть украинских партизан. Операция «Рельсовая война» была связана с планами Ставки по завершению разгрома гитлеровцев на Курской дуге, планировалась Смоленская операция и наступление с целью освобождения Левобережной Украины.
Операция началась в ночь на 3 августа и продолжалась до середины сентября. За первую ночь операции было взорвано 42 тысячи рельсов. Это был мощный удар, и для немцев он явился полной неожиданностью. Действия, в которых участвовало около 100 тысяч партизан, развернулись в тыловых районах групп армий «Центр» и «Север» (протяжённость по фронту около 1000 километров, в глубину 750 километров). Одновременно вели активные боевые действия украинские партизаны в тылу группы армий «Юг». Немецкое командование в течение некоторого времени не могло организовать противодействия партизанам.
В ходе операции было подорвано около 215 тысяч рельсов, уничтожено значительное количество эшелонов (только белорусскими партизанами — 836 эшелонов и 3 бронепоезда), взорваны мосты и станционные сооружения. Особо значительные разрушения произведены на участках Полоцк – Молодечно, Минск – Бобруйск, Лунинец – Калинковичи и Могилёв — Жлобин. К осени оперативные перевозки противника сократились на 40 процентов. На некоторых железных дорогах движение было задержано на 3-15 суток, а магистрали Могилёв – Кричев, Полоцк – Двинск, Могилёв – Жлобин не работали весь август. Для восстановления разрушенных железнодорожных путей противник был вынужден превратить двухпутные участки в однопутные, сварить подорванные рельсы, разобрать отдельные участки, доставить из Польши и Германии недостающие рельсы, что ещё больше увеличило напряжённость перевозок. Немецкое командование было вынуждено использовать для подвоза рельсов 5000 платформ и сотни локомотивов, привлечь к охране железных дорог дополнительные силы. Операция значительно затруднила перегруппировки и снабжение отступающих войск противника.
Удачно проведенная операция «Рельсовая война» способствовала разработке дальнейших действий по уничтожению железнодорожных путей противника. С 19 сентября по октябрь 1943 года была проведена аналогичная операция под кодовым названием «Концерт». Всего в ходе двух операций партизаны на железных дорогах во вражеском тылу подорвали 363 262 рельса. Партизанское движение в 1943 году затруднило перегруппировку фашистских войск и оказало значительную помощь наступающей Красной Армии.
