Am 20. Oktober 1943 wurde die Südfront in 4. Ukrainische Front umbenannt, die bis Mai 1944 die Befreiung Nordtauriens und die Rückeroberung der Halbinsel Krim erreichte. Von Mai 1944 bis Juni 1945 war Tolbuchin Oberbefehlshaber der 3. Ukrainischen Front, die im August 1944 Moldawien und anschließend Bulgarien befreite. Am 28. September 1944 begann die 3. Ukrainische Front in Zusammenarbeit mit der Volksbefreiungsarmee Jugoslawiens die Belgrader Operation und Belgrad wurde von der deutschen Besatzung befreit.
Im März 1945 hielten seine Armeen der deutschen Plattensee-Offensive erfolgreich stand und erreichten am 13. April die Befreiung der österreichischen Hauptstadt Wien. Am 8. Mai 1945 trafen seine Truppen bei Erlauf in Niederösterreich auf amerikanische Truppen. Er starb am 17. Oktober 1949 und seine Urne wurde an der Kremlmauer in Moskau beigesetzt. Tolbuchin war Ehrenbürger von Sofia (1946) und Belgrad (1947). Die Stadt Dobritsch in Bulgarien trug bis 1990 seinen Namen.
Ein Denkmal des Bildhauers Lew Kerbel wurde auf dem Samotschnij-Platz in Moskau errichtet. In Wien trug die Laxenburger Straße, eine Ausfallstraße im Süden der Stadt, bis 1956 den Namen Tolbuchinstraße. Das Heldendenkmal der Roten Armee am Wiener Schwarzenbergplatz erinnert an die über 17.000 Soldaten, die in der Schlacht um Wien gefallen sind. Auf der Kolonnade ist in russischer Sprache zu lesen: "Ewiger Ruhm den Helden der Roten Armee, die im Kampf gegen die deutsch-faschistischen Landräuber gefallen sind - für die Freiheit und Unabhängigkeit der Völker Europas".
Raimon Brete, Matthias Schwander und Dietmar Lehmann aus Chemnitz, ehemals Karl-Marx-Stadt