Утром 3 ноября после мощной артиллерийской подготовки с лютежского плацдарма нанесла удар главная группировка 1-го Украинского фронта. В полосе 38-й армии наступление началось после 40-минутной артиллерийской и авиационной подготовки. Для того чтобы противник не уловил момента ее окончания и начала поддержки атаки пехоты и танков, был разработан специальный график артиллерийского наступления, имевший одну особенность. Она состояла в том, что огневой налет по переднему краю и ближайшей глубине обороны противника был коротким, всего лишь трехминутным. Вместо же заключительного огневого налета в последние пять минут артиллерийской подготовки по тем же целям был произведен залп всех частей полевой и реактивной артиллерии и орудий, стрелявших прямой наводкой. Маршал Советского Союза К. С. Москаленко, командовавший тогда 38-й армией, вспоминал: «Тут-то и дала себя знать созданная нами высокая плотность артиллерии. Оборона противника была буквально сметена. Как мы потом увидели, все траншеи, ходы сообщений, огневые позиции и дзоты были разрушены. В результате вскоре же после начала атаки стали поступать донесения о том, что наши войска беспрепятственно продвинулись до 2 км в глубину вражеской обороны. Немногие уцелевшие там солдаты и офицеры противника разбежались. На огневых позициях и в траншеях было обнаружено много убитых гитлеровцев, большое количество брошенных орудий и боеприпасов».

К исходу 3 ноября войска 38-й армии, наступавшие совместно с 5-м гвардейским танковым корпусом, и соединения 60-й армии продвинулись на 5–12 км.

Противник нанес контрудар по передовым соединениям 60-й армии силами 8-й танковой дивизии полковника Фрёлиха, пытаясь создать угрозу основной группировке фронта, наступающей на киевском направлении. Развернулись ожесточенные бои. Однако войска 60-й армии отбросили части 8-й танковой дивизии за р. Здвиж, совершили обходный маневр в направлении на запад и юго-запад. Этим они прикрыли от фланговых ударов противника главную группировку фронта — соединения 3-й гвардейской танковой и 38-й армий, наступающие на Киев.

Сталин требовал овладеть Киевом не позднее 5–6 ноября, ведь впереди была 26-я годовщина Великого Октября. В директиве Ставки ВГК от 3 ноября говорилось:

«Операцию, начатую на правом крыле фронта, не затягивать, т. к. каждый лишний день дает только преимущество противнику, позволяя ему сосредоточивать сюда свои силы, пользуясь хорошими дорогами. Тогда как у нас разрушенные противником дороги затрудняют и ограничивают маневр.

Исходя из этого Ставка Верховного Главнокомандования приказывает:

1. Не позже 5.11 перерезать железную дорогу Киев — Коростень восточнее или западнее р. Ирпень в зависимости от обстановки и не позже 5–6.11 овладеть городом Киев.

2. Не позже 9–10.11 перерезать железную дорогу Киев — Фастов.

3. Решая эту задачу, пойти на жертвы, имея в виду, что эти жертвы будут во много раз меньше тех, которые придется затратить, если эта операция затянется. Учесть, что киевский плацдарм является важнейшим и наивыгоднейшим плацдармом на правом берегу р. Днепр, имеющим исторически важное значение для изгнания немцев из Правобережной Украины».

Во исполнение указаний Сталина, в сражение 4–5 ноября были введены 3-я гвардейская танковая армия, перерезавшая шоссе Киев — Житомир, 1-й гвардейский кавалерийский корпус, вторые эшелоны 38 и 60-й армий. Противник, опасаясь окружения своих войск в Киеве, начал их отвод. К утру 6 ноября Киев был освобожден. «После тяжелых боев, — сетовал Манштейн, — был оставлен Киев, так как действовавший здесь 7 ак (армейский корпус. — Авт.) находился под угрозой окружения в городе. Корпус был отброшен из Киева на юг, и ему удалось задержать продвижение противника лишь в 50 километрах ниже города».

Жуков и Ватутин телеграфировали Сталину: «С величайшей радостью докладываем Вам о том, что задача, поставленная Вами по овладению нашим прекрасным городом Киев — столицей Украины, — войсками 1-го Украинского фронта выполнена. Киев полностью очищен от немецких оккупантов». Москва в тот же день салютовала войскам 1-го Украинского фронта. Позже Жуков вспоминал: «В 9 часов утра вместе с Военным советом фронта мы прибыли в Киев, куда уже стекались толпы измученных жителей города, попрятавшихся в окрестностях от зверской расправы фашистов. Наши машины обступили со всех сторон… Многие плакали от радости, каждый хотел что-то рассказать о давно наболевшем, выстраданном… Проезжая по хорошо знакомому мне Крещатику, когда-то красивейшему проспекту города, я ничего не мог узнать: кругом были сплошные развалины. Так выглядел наш древний Киев после ухода гитлеровцев».

Советские войска, развивая наступление, овладели 7 ноября городом Фастов, а 12 ноября — Житомиром. Тем временем десантники захватили 13 ноября несколько укрепленных опорных пунктов обороны противника, чем содействовали форсированию Днепра войсками 52-й армии 2-го Украинского фронта. В ходе операции десант потерял более 40 % личного состава, не достигнув поставленной перед ним цели. Оставшиеся части воздушно-десантного корпуса были изъяты из подчинения командующего 1-м Украинским фронтом и переданы в резерв Ставки ВГК.

В ходе Киевской стратегической наступательной операции войска 1-го Украинского фронта разгромили 12 дивизий противника, освободили столицу Украины, создали плацдарм стратегического значения 230 км по фронту (по линии Днепра) и до 145 км в глубину, сыгравший значительную роль в освобождении Правобережной Украины. Характерной особенностью операции явилось успешное проведение перегруппировки в течение 10 дней значительных сил фронта с одного плацдарма на другой с умелым осуществлением мероприятий оперативной маскировки. Потери войск 1-го Украинского фронта в операции составили: безвозвратные — 6491 человек, санитарные — 24 078 человек.

В ходе операции не удалось уничтожить главные силы противника. Немецкое командование решило воспользоваться этим, чтобы снова овладеть инициативой и восстановить оборону по Днепру. Для достижения данной цели противник отказался от ранее планировавшегося удара в нижнем течении Днепра. В районах юго-западнее Фастова и южнее Житомира была сосредоточена группировка в составе 48-го танкового, 13-го армейского корпусов и оперативной группы «Маттенклот». Этой группировке предстояло разгромить главные силы 1-го Украинского фронта, овладеть Киевом и ликвидировать плацдарм советских войск на правом берегу Днепра. Войска группы армий «Юг» поддерживались авиацией 4-го воздушного флота.

Ставка ВГК, обнаружив сосредоточение южнее Фастова крупных сил противника, приказала 12 ноября войскам центра и левого крыла 1-го Украинского фронта, которые к этому времени вышли на рубеж Волчково, Черняхов, Житомир, Германовка, временно перейти к обороне. Для усиления левого фланга 38-й армии на участке Фастов, Триполье требовалось перебросить дивизии, снимаемые со щучинского и букринского плацдармов, а также направить пять-шесть стрелковых дивизий за счет 60-й армии и правого фланга 38-й армии. «По окончании этой перегруппировки и с подходом 1-й гв. армии и 25-го тк первоочередная и основная задача фронта, — отмечалось в директиве Ставки № 30245, — разбить белоцерковскую группировку противника и левым крылом фронта овладеть районом Попельня, Белая Церковь, Кагарлык, после чего вновь форсировать наступление на казатинском направлении».