Действия войск фронта поддерживала авиация 5-й воздушной армии генерал-лейтенанта авиации С. К. Горюнова.

Сосредоточение и перегруппировка войск проводились в строжайшей тайне. Необходимые распоряжения войскам отдавались устно или через офицеров связи. Всякие переговоры по телефону, связанные с предстоявшим наступлением, категорически запрещались. Радиосредства работали только на прием. Все это обеспечило скрытность сосредоточения войск на направлении главного удара, в результате чего была достигнута внезапность наступления.

Перед 2-м Украинским фронтом, на 260-километровом участке от Канева до Баштины, оборонялась 8-я немецкая армия генерала пехоты О. Велера[36], имевшая к 5 января 22 дивизии (из них 5 танковых и 2 моторизованные), мотобригаду, отдельный танковый батальон, 4 дивизиона штурмовых орудий, дивизион тяжелых самоходных орудий[37] — более 420 тыс. человек, 520 танков и САУ, 5100 орудий и минометов, около 500 боевых самолетов.

Основная часть сил противника действовала в первом эшелоне. В резерве находились: часть сил танковой дивизии СС «Викинг» в районе Смелы и корпусная группа «А» в составе боевых групп 161, 293-й и 355-й дивизий в районе Ровное[38].

Главная полоса обороны противника состояла из системы опорных пунктов с развитой системой траншей. Вторая полоса проходила в 6–8 км от переднего края. Враг широко использовал проволочные заграждения — спираль Бруно, «рогатки», «ежи», а также минные заграждения, особенно для прикрытия подступов к переднему краю и промежутков между опорными пунктами. Кировоград был сильно укреплен: каменные здания приспособлены к обороне, подступы к городу прикрывались системой минных заграждений, были минированы и важные сооружения внутри города (мосты, большие здания, аэродром).

Район боевых действий представлял собой в основном открытую местность, бедную лесами, но сильно изрезанную балками и оврагами. В начале января снежный покров в этом районе не превышал 20 см, что позволяло войскам маневрировать вне дорог. Сухая погода и небольшие морозы также благоприятствовали наступлению. Правда, частая облачность и туманы ограничивали действия авиации и артиллерии.

Утром 5 января, в день начала операции, из-за низкой облачности и тумана авиация подняться в воздух не могла. Но улучшения погоды не предвиделось, и артиллерийская подготовка началась в назначенное время. Несмотря на плохую видимость, артиллерия точно вела огонь по заранее разведанным целям и сумела подавить большую часть огневых точек врага на переднем крае и в ближайшей глубине. В 9 часов 5 января началась атака. Наибольшего успеха добились 53-я и 5-я гвардейская армии, наступавшие из района юго-западнее Знаменки. К исходу дня они продвинулись от 4 до 24 км. Еще в первой половине дня противник предпринял несколько контратак на флангах прорыва этих армий, но наши войска успешно отразили их. Для наращивания силы удара и развития успеха командующий фронтом перегруппировал на это направление 8-й механизированный корпус из состава 5-й гвардейской танковой армии[39].

Командующий фронтом Маршал Советского Союза И. С. Конев пишет об этом моменте: «В создавшихся условиях я решил использовать успех войск 5-й гвардейской армии и 7-го механизированного корпуса, для того, чтобы обойти Кировоград с северо-запада. В 21 час 5 января войскам было отдано боевое распоряжение. В нем говорилось: „Командующему 5-й гвардейской танковой армией к 8.00 6.01.44 г. 8 мк сосредоточить в районе Казарна и передать в подчинение командующего 5-й гвардейской армией, а командарму 5-й гвардейской армии — развить энергичное наступление 7-ми 8-м механизированными корпусами в обход Кировограда с северо-запада и запада в общем направлении на Грузное, разъезд Лелековка с целью перерезать пути, ведущие из Кировограда на запад и северо-запад, и во взаимодействии с войсками 5-й гвардейской танковой армии овладеть Кировоградом“»[40].

Несколько медленнее развивалось наступление 7-й гвардейской армии, наносившей удар юго-восточнее Кировограда. Ей пришлось вести напряженную борьбу с сильной группировкой германских войск в составе трех пехотных и двух танковых дивизий, сосредоточенной севернее Новгородки. В течение первого дня войска армии продвинулись на 4–5 км. Для завершения прорыва вражеской обороны командование фронта ввело здесь в сражение 5-ю гвардейскую танковую армию (18-й и 29-й танковые корпуса).

В последующие дни наступление советских войск, несмотря на яростные контратаки противника, развивалось успешно. Уже в ночь на 7 января 29-й танковый корпус под командованием генерал-майора танковых войск И. Ф. Кириченко вышел к южной окраине Кировограда; вслед за танкистами в город ворвались части 297-й стрелковой дивизии полковника А. И. Ковтун-Станкевича и 50-й стрелковой дивизии генерал-майора Н. Ф. Лебеденко.

К 9 часам 7 января 7-й и 8-й механизированные корпуса (командиры корпусов генерал-майоры танковых войск Ф. Г. Катков и А. М. Хасин), наступавшие севернее Кировограда, обошли город с северо-запада и в районе разъезда Лелековка перерезали шоссе и железную дорогу Кировоград — Ново-Украинка. В это же время части 18-го танкового корпуса 5-й гвардейской танковой армии (командир корпуса генерал-майор танковых войск В. И. Полозков), наступавшие к югу от Кировограда, перерезали дорогу Кировоград — Ровное[41].

Таким образом, группировка противника, действовавшая в районе Кировограда, лишилась основных путей отхода на запад. Враг оказывал ожесточенное сопротивление. Он стремился удержать Кировоград и обеспечить себе отход на запад. Весь день 7 января и в ночь на 8 января шли тяжелые бои, в ходе которых немцы неоднократно переходили в контратаки крупными силами пехоты и танков.

В боях за город непосредственное участие приняли местные жители-подпольщики; они выполняли ответственные задания нашего командования, выводили части на пути отхода вражеских войск.

К утру 8 января сопротивление врага было сломлено. Войска 5-й и 7-й гвардейских общевойсковых и 5-й гвардейской танковой армий полностью освободили Кировоград. Соединения и части, отличившиеся в боях за освобождение города, получили наименование «Кировоградских» и были награждены орденами. В честь освобождения города в Москве был дан салют из 224 орудий.