Переправа войск армии началась в ночь на 31 октября. К утру 31 октября на левый берег Днепра было переброшено 110 танков. Пасмурная погода, стоявшая 1 ноября, позволила продолжать переправу и в светлое время суток. Через реку было переправлено 155 танков. Утром 2 ноября переправа танков армии на Лютежский плацдарм была закончена, и на протяжении 2 и 3 ноября войска армии вели разведку в полосе предполагаемых действий, организовывали взаимодействие со стрелковыми соединениями и артиллерией 38-й армии, готовили к бою материальную часть и вооружение. Перед началом наступления в состав армии вошли два полка самоходных артустановок СУ-85; кроме того, на пополнение частей армии прибыли 124 танка Т-34, 60 танков Т-70 и 48 самоходных артустановок СУ-85. «Водительский состав имел малый опыт вождения, а времени на подготовку его не было, так как операция потребовала немедленного ввода в строй танков».

По состоянию на 3 ноября 1943 г. 3-я гвардейская танковая армия имела 256 танков различных типов, 122 бронемашины, 63 самоходных артустановки, 49 76,2-мм орудий, 12 85-мм противотанковых пушек, 19 57-мм противотанковых пушек, 74 45-мм противотанковые и батальонные пушки, 44 зенитных орудия.

22-я гвардейская мотострелковая бригада 6-го гвардейского танкового корпуса имела 650 активных штыков, 23-я гвардейская мотострелковая бригада 7-го гвардейского танкового корпуса — 450 активных штыков, 9-й мехкорпус — до 3000 активных штыков. Приданный армии 1-й гвардейский кавкорпус имел до 2000 активных сабель.

Получив от командования фронта задачу войти в прорыв в полосе 38-й армии, обойти Киев с запада, развивая наступление в направлении Фастов—Белая Церковь, командующий 3-й гвардейской танковой армией принял решение ввести армию в прорыв на второй день наступления после прорыва пехотой 38-й армии обороны противника на всю глубину, имея ближайшей задачей выйти в район Святошино, перерезав тем самым шоссе Киев—Житомир, и к исходу дня овладеть районом Заборье, Малютянка, Глеваха, Вета Почтовая, перерезав тем самым железную дорогу и шоссе на Фастов и Белую Церковь, что приводило к окружению всей киевской группировки противника.

План наступления соединений 3-й гвардейской танковой армии с Лютежского плацдарма.

3 ноября после артподготовки войска 38-й армии 1-го Украинского фронта перешли в наступление. В течение дня обороняющиеся части немецких 68-й и 88-й пехотных дивизий были оттеснены на рубеж Горянка, Пуща Водица, Вышгород, однако попытки дальнейшего продвижения соединений 38-й армии успеха не имели. В то же время авиаразведкой было установлено перемещение к Пуща Водица танков противника. Для ускорения прорыва полосы обороны противника командующий 3-й гвардейской танковой армией принял решение придать с утра 4 ноября 52-ю и 53-ю гвардейские танковые бригады со средствами усиления 167-й и 136-й стрелковым дивизиям 38-й армии до выхода на рубеж обгона пехоты в качестве танков непосредственной поддержки пехоты. Основным силам армии предстояло 4 ноября войти в прорыв, имея ближайшей задачей выйти на рубеж Шевченко, Святошино и к исходу дня достичь рубежа Заборье, Малютянка, Глеваха, Мархалевка. Боевой порядок армии строился в два эшелона. В первом эшелоне наступали 6-й гвардейский танковый корпус и 9-й мехкорпус, во втором эшелоне — 6-й гвардейский танковый корпус в затылок 7-му гвардейскому танковому корпусу и 1-й гвардейский кавкорпус в затылок 9-му мехкорпусу. 91-я отдельная танковая бригада оставалась в резерве армии и следовала за 7-м гвардейским танковым корпусом. Выход в исходный район для ввода в прорыв предписывался к 12 часам 4 ноября. Соединения армии получили задачи:

— 9-му мехкорпусу выйти к Петропавловской Борщаговке, к исходу дня овладеть районом Шевченко;

— 6-му гвардейскому танковому корпусу наступать в направлении Святошино, Софиевская Борщаговка, к исходу дня овладеть районом Заборье, Малютянка;

— 7-му гвардейскому танковому корпусу к исходу дня выйти в район Глеваха, Вета Почтовая, обеспечивая себя слева боковым отрядом;

— 1-му гвардейскому кавкорпусу выйти на западный берег р. Ирпень и наступать в направлении Юров, 5 ноября овладеть Юров.

План наступательного боя 4 ноября 1943 г.

В соответствии с полученным приказом войска армии к полудню 4 ноября начали выдвижение из исходного района, и в 14 часов наступавший в направлении Святошино 6-й гвардейский танковый корпус вступил в бой. Упорные бои продолжались до позднего вечера. К 23 часам 4 ноября 55-я и 56-я гвардейские танковые бригады 7-го гвардейского танкового корпуса заняли северную окраину Святошино и перерезали шоссе Киев—Житомир.

В бою за Святошино экипаж танка, которым командовал лейтенант Ф.П. Лохматиков, уничтожил две автоколонны врага и 2 орудия, разгромил ремонтную базу, захватив при этом 3 исправных танка, 5 автомашин и взяв в плен 40 солдат противника. Лейтенанту Ф.П. Лохматикову, механику-водителю сержанту М.П. Стрижкову и стрелку-радисту младшему сержанту В.А. Верескову было присвоено звание Героя Советского Союза.

Упорные бои за Святошино и Беличи, в которых приняли участие основные силы 6-го и 7-го танковых корпусов, продолжались на протяжении всего дня 5 ноября. Район Беличи был очищен от противника к 16 часам 5 ноября, Святошино было полностью освобождено к 18 часам. Продолжая наступление, 71-я мехбригада 9-го мехкорпуса к исходу дня достигла Петропавловской Борщаговки, 69-я мехбригада, наступавшая вдоль восточного берега Ирпени, к исходу дня закрепилась в районе Шевченко, в 4 км к югу от шоссе Киев—Житомир.

Ход боевых действий 4—5 ноября 1943 г.

С перехватом шоссе Киев—Житомир основным путем снабжения Киевской группировки противника и ее возможного отхода стали шоссе и железная дорога Киев—Фастов. Командование армии поставило задачу отряду в составе 6-го гвардейского танкового корпуса, одной бригады 9-го мехкорпуса и 91-й отдельной танковой бригады 6 ноября овладеть Фастов, частям 7-го гвардейского танкового корпуса и 9-го мехкорпуса овладеть Васильковым.

7-й гвардейский танковый корпус, имевший задачу к исходу 6 ноября занять Васильков, с утра 6 ноября перешел в наступление из района Святошино в направлении Жуляны, Вета Почтовая, Глеваха и к 12 часам 6 ноября достиг Василькова. К исходу дня Васильков был полностью очищен от противника.

В этот же день, 6 ноября 1943 г., войска 38-й армии освободили Киев. Приказом № 37 Верховного Главнокомандующего от 6 ноября войскам, особо отличившимся в боях за освобождение Киева, в том числе 6-му и 7-му гвардейским танковым корпусам, присваивалось почетное наименование «Киевских».