До начала третьей декады декабря соединения 3-й гвардейской танковой армии принимали пополнение, восстанавливали матчасть, производили сколачивание частей и подразделений. Советские войска готовились к продолжению наступательных операций. К 22 декабря армия имела 207 танков Т-34, 28 танков Т-70, 1 танк МК-7 и 8 танков МК-9, 7 самоходных установок СУ-152, 5 СУ-122, 92 СУ-85, 16 85-мм противотанковых пушек, 29 76,2-мм пушек, 6 57-мм пушек, 24 45-мм пушки, 62 37-мм зенитных орудия и 22 зенитных 12,7-мм пулемета ДШК, 64 120-мм и 108 82-мм минометов, 9573 активных штыка.

19 декабря командование фронта поставило перед армией задачу, «…развивая успех наступления 18-й армии, совместно с ней и во взаимодействии с 1-й гвардейской армией уничтожить брусиловскую группировку противника и к исходу первого дня операции выйти на рубеж Вильня, Здвижка, Романовка, Карабачин. В дальнейшем:

а) в случае успешного развития наступления соседей продолжать развивать наступление на Андрушовка;

б) в случае задержки наступления 38-й и 1-й гвардейских армий ударом в направлении Водотыи, Соловеевка, Турбовка содействовать последним в разгроме брусиловской группировки противника». На основе полученной задачи командующий армией принял решение: армия входит в прорыв между Забелочье и Высокое. Боевой порядок армии строился в два эшелона — в первом эшелоне 6-й гвардейский танковый корпус и 9-й мехкорпус, во втором эшелоне 7-й гвардейский танковый корпус. Главный удар наносился правым флангом армии в направлении Озеряны, авангарды корпусов начинали выдвижение в прорыв непосредственно за продвижением пехоты 18-й армии.

План наступательного боя 23 декабря 1943 г.

23 декабря под прикрытием облачности и тумана войска армии заняли исходное положение в районе Раевка, Боровка. В 9 часов 24 декабря после артподготовки войска 18-й армии перешли в наступление, прорвали первую линию оборону противника и начали продвигаться вперед. Уже в 9 часов 30 минут передовые отряды 6-го гвардейского танкового корпуса и 9-го мехкорпуса начали выдвигаться из исходных районов, а в 14 часов главные силы армии обогнали наступающую пехоту 18-й армии. В течение дня наступавший на левом фланге армии 9-й мехкорпус занял Забелочье и в 20 часов передовыми отрядами завязал бой за Приворотье, наносящий главный удар 6-й гвардейский танковый корпус занял Ставище, Высокое и к исходу дня передовыми отрядами вел бой за Озеряны. Второй эшелон армии — 7-й гвардейский танковый корпус — выдвигался к Боровке.

Ход боевых действий 23 декабря 1943 г.

К исходу дня армия получила новую задачу — с утра 25 декабря нанести удар в направлении Коростышева во фланг радомышльской группировке противника, во взаимодействии с правым соседом — 1-й гвардейской армией — разгромить силы противника у Радомышля и к исходу дня 25 декабря выйти на рубеж Коростышев, Харитоновка. Во исполнение полученной задачи командующий армией приказал:

— 9-му мехкорпусу в течение ночи занять исходное положение в районе Кочерово, Приворотье и в 9 часов 30 минут 25 декабря перейти в наступление в направлении Коростышева, форсировать реку Тетерев в районе Коростышев, Мамрик, передовыми отрядами захватить Бельковцы и Студеницы и прикрыть армию от атак противника с северо-запада;

— 6-му гвардейскому танковому корпусу в течение ночи занять исходное положение в районе Приворотье, Романовка и с 9 часов 30 минут 25 декабря наступать в направлении Вольня, Крапивня, Харитоновка, имея ближайшей задачей выйти в район Шахворостовки, в дальнейшем форсировать р. Тетерев у Харитоновки, передовыми отрядами захватить Кашарицу, Смоловку, Ивницу и обеспечить армию от атак противника с запада и юго-запада;

— 7-му гвардейскому танковому корпусу оставаться в резерве армии, выйти в район Забелочье, Кочеров.

План наступательного боя 25 декабря 1943 г.

На протяжении всего дня 25 декабря войска армии вели ожесточенные бои с пехотой противника при поддержке танков. К исходу дня 9-й мехкорпус главными силами находился в районе Городецкое, 6-й гвардейский танковый корпус занял Озеряны, Пилипонку, Вольню. 7-й гвардейский танковый корпус главными силами оставался в районе Боровки. 26 декабря сопротивление противника на рубеже Царевка—Вольня—Здвижка было сломлено, 9-й мехкорпус достиг восточных окраин Коростышева, а 6-й гвардейский танковый корпус занял Шахворостовку. В ходе боев 24–26 декабря части 9-го мехкорпуса захватили 2 знамени противника. За период с 24 по 26 декабря 9-й мехкорпус потерял 195 чел. убитыми и ранеными, 21 танк подбитыми и сгоревшими; 6-й гвардейский танковый корпус потерял 54 чел. убитыми и ранеными, 24 танка, 1 СУ-85. 27 декабря соединения 3-й гвардейской танковой армии, продолжая наступление, форсировали р. Тетерев на участке от Козиевки до Харитоновки и заняли Коростышев и Харитоновку, передовой отряд 6-го гвардейского танкового корпуса занял Смоловку и восточную часть Левкова.

После взятия Коростышева армия получила следующую задачу: с утра 28 декабря продолжать наступление в направлении Житомир, к исходу дня 28 декабря выйти на рубеж Вересы—Смоковка—Клетчин—Скоморохи—Волица—Вертокиевка, при благоприятной обстановке захватить Житомир. Однако при подходе к Житомиру сопротивление противника усилилось. К исходу дня 9-й мехкорпус остановился в районе Студеницы, 6-й гвардейский танковый корпус достиг железной дороги Житомир—Фастов у Тарасовки, введенный в бой 7-й гвардейский танковый корпус перерезал шоссе Житомир—Попельня у Волосова. Перед фронтом армии, в дополнение к 8-й танковой дивизии Вермахта, были выявлены части 1-й, 19-й танковых дивизий, дивизии «Лейбштандарт СС Адольф Гитлер» и 18-й артдивизии. Проведя в ночь на 29 декабря перегруппировку, соединения 3-й гвардейской танковой с утра 29 декабря возобновили наступление. 9-й мехкорпус из района Студеницы неоднократно предпринимал атаки в направлении Житомира, но продвижения не имел. 7-й гвардейский танковый корпус форсировал р. Гуйва в направлении с севера на юг и наступал в направлении Городище. 6-й гвардейский танковый корпус, переправившись на южный берег р. Гуйва, занял Антополь. В результате танковые корпуса приблизились к железной дороге и шоссе Житомир—Бердичев.

На 30 декабря 3-я гвардейская танковая армия получила задачу продолжить наступление в общем направлении Кодня, Троянов, перерезать железную дорогу и шоссе Житомир—Бердичев и тем самым изолировать житомирскую и бердичевскую группировки противника. П.С. Рыбалко принял решение продолжать наступление силами танковых корпусов, 6-му гвардейскому танковому корпусу занять Кодню, 7-му гвардейскому танковому корпусу выйти в район Троянов, 9-й мехкорпус вывести из боя и сосредоточить в районе Коростышев, Харитонова для приведения себя в порядок. К исходу дня 30 декабря 7-й гвардейский танковый корпус, тесня противника, достиг рубежа Скоморохи—Сингуры—Волица—Вертокиевка, выполнив тем самым поставленную перед армией задачу перерезать железную и шоссейную дороги Житомир—Бердичев. 6-й гвардейский танковый корпус вел бои за Кодню и Солотвин, 9-й мехкорпус, сдав занимаемые позиции стрелковым частям, отошел в район Коростышев, Стрижевка, Харитоновка. Предоставленная корпусу передышка была недолгой — уже в ночь на 31 декабря, совершив марш, 9-й мехкорпус достиг района Иванков, Лещин, получив приказ наступать в общем направлении Солотвин, Гвоздева и к исходу дня достичь района Демчин, Скраглевка, Швайковка, обходя Бердичев с северо-запада и перерезав железнодорожную ветку Бердичев—Шепетовка.