Операция готовилась в сжатые сроки. Это потребовало большого напряжения в деятельности командования, штабов и войск. Генерал армии Конев особое внимание уделил плановости подготовки операции, лично отработав календарный план работы основных отделов и управлений фронта. По его указанию штаб фронта под руководством генерал-полковника Захарова составил комплексный план контроля подготовки войск и штабов к предстоящим действиям.

При подготовке войск к операции тщательно изучался опыт, полученный в предшествующих боях. Особое внимание было уделено подготовке к боевым действиям передовых отрядов. С личным составом проводились занятия по теме «Бой ночью». Политическое управление фронта издало памятку-инструкцию по организации взаимодействия пехоты, артиллерии, танков и авиации на период атаки и боя в глубине вражеской обороны.

По указанию командующего 2-м Украинским фронтом были тщательно продуманы мероприятия по оперативной маскировке. Перегруппировка танков и артиллерии осуществлялась только ночью, тщательно укрывая и маскируя войска и технику в новом районе. С целью скрытия марша и района сосредоточения 5-й гвардейской танковой армии по указанию командующего фронтом штаб армии определил районы ложного сосредоточения, разработал мероприятия по их созданию и «оживлению». В этих районах были установлены около 150 макетов различных образцов техники, подготовлены ложные огневые позиции, склады горючего и боеприпасов. Как показали последующие события, все эти мероприятия вполне себя оправдали.

В ночь на 4 января 1944 г. по приказанию генерала армии Конева в полосе 5-й гвардейской армии силами батальонов и рот была проведена разведка боем. Данные, которые удалось добыть, были использованы для уточнения целей артиллерии и постановки задач частям и подразделениям.

В 8 часов 10 минут 5 января началась 50-минутная артиллерийская и авиационная подготовка. В результате в значительной степени была подавлена система огня противника на переднем крае, разрушены ближайшие опорные пункты в глубине. В частях и соединениях первого эшелона были проделаны проходы в минных полях и в проволочных заграждениях, устранены сооруженные противником препятствия.

После завершения артиллерийской подготовки пехота в условиях густого тумана пошла в атаку. На правом фланге ударной группировки фронта части и соединения 53-й и 5-й гвардейской армий прорвали оборону противника, который пытался контратаками восстановить положение. В 11 часов в полосе 5-й гвардейской армии был введен 7-й механизированный корпус генерал-майора танковых войск Ф.Г. Каткова, который совместно с частями 110-й гвардейской стрелковой дивизии к исходу дня вышел к р. Ингул в районе Большая Мамайка. Глубина прорыва вражеской обороны на отдельных направлениях составляла от 4 до 24 км. Однако на левом фланге ударной группировки части и соединения 7-й гвардейской армии сумели за два часа боя продвинуться всего до 2 км. Это вынудило генерала армии Конева в полдень ввести в сражение 18-й и 29-й танковые корпуса 5-й гвардейской танковой армии.

Командующий 2-м Украинским фронтом с группой офицеров и генералов полевого управления фронта выехал на командный пункт 5-й гвардейской танковой армии, откуда продолжал руководить операцией. Генерал армии Конев, учитывая успех 5-й гвардейской армии, в девять часов вечера 5 января принял решение ввести в ее полосе 8-й механизированный корпус 5-й гвардейской танковой армии. Корпусу предстояло совместно с 7-м механизированным корпусом обойти Кировоград с северо-запада, перерезать пути, ведущие из города на запад и северо-запад, и во взаимодействии с войсками 5-й гвардейской танковой армии овладеть Кировоградом{366}.

Ввод подвижных сил 2-го Украинского фронта позволил нарастить темпы продвижения. Части 29-го танкового корпуса генерал-майора танковых войск И.Ф. Кириченко, с ходу преодолев второй оборонительный рубеж врага на р. Ад-жамка, в ночь на 7 января вышли к юго-восточной окраине Кировограда. 18-й танковый корпус генерал-майора танковых войск В.И. Полозкова к утру перерезал шоссейную дорогу Кировоград — Ровное. Передовые части 7-го и 8-го механизированных корпусов перехватили железную и шоссейную дороги Кировоград — Ново-Украинка в районе разъезда Лелековка, завершив оперативное окружение противника в Кировограде. 8 января город был освобожден. Успех, достигнутый войсками 5-й гвардейской танковой армии, обошелся в 139 потерянных танков и САУ, или около 60% боевого состава{367}. Одновременно с наступлением на кировоградском направлении войска 52-й армии нанесли удар на Христиновку, а 53-я армия с 5-м гвардейским механизированным корпусом — на Малые Виски.

Фон Манштейн, потеряв Кировоград, а еще ранее, 5 января Бердичев, освобожденный войсками 1-го Украинского фронта, получил две бреши в своем фронте. Первая брешь образовалась между 1-й танковой армией и правым флангом 4-й танковой армии, вторая — между 4-й танковой армией и группой армий «Центр», где действовал слабый 59-й армейский корпус, отступавший с боями на Ровно. В связи с тем, что внутренние фланги 1-й и 4-й танковых армий удерживали еще Днепр по обе стороны от Канева, их позиции образовали «мешок», который был перевязан на севере у реки, в то время как его продольные стороны представляли собой обращенные на восток и на запад фронты обеих армий.

У командующих 1-ми 2-м Украинскими фронтами появилась реальная возможность затолкнуть «в мешок» 1-ю танковую и 8-ю армии противника. Фон Манштейн, стремясь избежать этого, решил силами 7-го армейского, 46-го и 3-го танковых корпусов нанести удар с трех сторон по войскам 1-го Украинского фронта, продвигавшимся в глубь бреши между 4-й и 1-й танковыми армиями, взяв их в клещи. 10 января первый удар пришелся по ослабленным 100-й и 241-й стрелковым дивизиям 38-й армии, которые оставили Михайловку, Счастливую и Лозоватую. В результате возникла угроза флангам и тылу 1-й танковой армии генерал-лейтенанта танковых войск М.Е. Катукова, вынужденной перейти к обороне. Второй удар был нанесен 11 января в южном направлении, что заставило Катукова отвести свои главные силы 13 января к р. Соб{368}. На следующий день фон Манштейн нанес третий удар силами 7-го армейского и 3-го танкового корпусов в восточной части бреши по 40-й армии. Затем последовал четвертый удар, в котором приняли участие 3-й и 26-й танковые корпуса, 1-я пехотная, 4-я горнострелковая и 18-я авиаполевая дивизии. Они окружили и нанесли поражение соединениям 1-й танковой армии в западной части бреши. Это вынудило Ставку ВГК 15 января отдать приказ о переходе к обороне войск 1-го Украинского фронта.

И.С. Конев после освобождения Кировограда принимал меры к тому, чтобы установить боевое взаимодействие с войсками 1-го Украинского фронта. 8 января он приказал 52-й армии продолжать энергичное наступление на Шполу, а частью сил — на Корсунь-Шевченковский, где соединиться с 27-й армией 1-го Украинского фронта. 4-я гвардейская армия должна была сосредоточить основные усилия на своем левом фланге в направлении на Пасторское, а 53-я армия — на новомиргородском направлении. 11 января генерал армии Конев уточнил задачи войск правого крыла 2-го Украинского фронта, потребовав от них выйти в район Звенигородки, где соединиться с войсками левого крыла 1-го Украинского фронта.