10 августа силами штурмовых групп специальных батальонов МВД и добровольческих батальонов Национальной гвардии («Донбасс», «Азов», «Шахтёрск»), а также 2-го и 40-го батальонов территориальной обороны состоялась военная операция по штурму города Иловайск.
По оценке украинского военного эксперта Дианы Михайловой, перед активной фазой боёв в районе Иловайска общая численность сил АТО составляла около 3000 человек. На их вооружении было примерно 70 единиц бронетехники и не менее 100 орудий и миномётов.Украинский телеканал «Громадське» в фильме «История трагедии» утверждает, что в боях за Иловайск со стороны Украины приняли участие 1700 человек.
Как полагает Михайлова, Иловайск под руководством Арсена Павлова (Моторола) и Михаила Толстых (Гиви) обороняли 500 бойцов. Украинские СМИ давали противоречивые оценки численности ополченцев. Участники событий под Иловайском уверяют, что им противостояла небольшая группировка «сепаратистов».
Перед украинскими войсками была поставлена задача взять Иловайск до 24 августа — Дня независимости Украины.
По версии силовиков, основная цель — взятие города, уничтожение укрепрайонов и блокпостов повстанцев, — не была выполнена, получилась разведка боем. Батальоны территориальной обороны понесли потери, для недопущения новых силы АТО отошли на прежние позиции.
Пресс-служба батальона «Донбасс» сообщила о потере четырех бойцов и семерых раненых. Батальон «Азов» рассказал о двоих убитых и пятерых раненых:
«Группы шли под прикрытием БМП и ее пушки, а также броневика. Подвела техника — заклинило пушку и пулемет, одновременно с этим заглохла БМП. Этим воспользовались снайперы боевиков, которые не дали подойти ближе чем на километр, прикрываемые пулеметом. В ходе нанесения плотного артиллерийского огня по укрепленным позициям боевиков, их потери под обломками укреплений неизвестны».
В результате операции добровольческие батальоны обвинили Министерство обороны Украины в том, что оно не осуществляет необходимую поддержку в тяжелом вооружении.
По версии ДНР, 10 августа после предварительной артподготовки с украинской стороны ими была отбита атака на Иловайск, в пресс-центре «Восток» заявили о 9 единицах уничтоженной украинской бронетехники и о неисчислимых потерях личного состава с обеих сторон.