בעקבות כישלון המתקפה, ומשהתברר שהחטיבה לא הוכנה כהלכה, הדיח שמחוני את המח"ט שמואל גודר מהפיקוד על יחידתו. לאחר המלחמה מונה קצין בודק, אל"ם יוסף נבו, לחקור את תפקודה של החטיבה. מבלי לחקור את מפקד הסיור בנין, את הרמטכ"ל, ואת שמחוני (שכבר לא היה בחיים), קבע נבו שהכישלון נגרם על ידי המח"ט, מפקד הפיקוד, ובמידה פחותה על ידי מפקד האוגדה. מעורבותו של הרמטכ"ל ופקודותיו הישירות למח"ט לא הוזכרו בדו"ח. לעומתו, כתב שבתי טבת בביוגרפיה של דיין: "למעשה השתבשו מהלכיה של חטיבה 10 לא במעט בגלל משה דיין, ונוהגו להנחית פקודות סותרות ונוגדות".
שלב ההכרעה: 31 באוקטובר - 1 בנובמבר.
בעקבות הצלחת מהלכי הפתיחה - כיבוש המערך המצרי הקדמי בקוסיימה, חבירת הצנחנים בצומת מצבת פרקר, והיציאה המוצלחת לדרך של חטיבה 9 - ירדה רמת החששות מפני התגובה המצרית, ומפני האפשרות שהמעצמות לא תמלאנה את חלקן במערכה. אמנם, ראש הממשלה בן-גוריון עדיין חשש לבאות, במיוחד לאחר שהתבשר על דחייה של יממה במועד הכניסה של הממלכה המאוחדת ושל צרפת למערכה. אך "הזקן" חלה בשפעת, היה מרותק למיטתו ביומיים של 29 ו-30 באוקטובר, והתקשה לעקוב מקרוב אחרי האירועים. הרמטכ"ל, שפגש אותו בערב היום השני, שכנע אותו להמשיך במערכה עם כל הכוחות הזמינים.
בהתאם לכך, ניתנה הפקודה לחטיבה 7 כולה להמשיך ולהתקדם בציר המרכזי המוביל לתעלה. בבוקר יום 31 באוקטובר כבש גדוד 82 של חטיבה 7 את מתחם אבו עגילה. על אחד ממשלטי המתחם, משלט סכר הרואיפה הנמצא על ואדי אל-עריש, נערך אחד מהקרבות המכריעים במבצע - קרב סכר הרואיפה. גדוד 82 תפס את צומת ג'בל ליבני, השולטת על הדרכים מאסמאעיליה שבאזור התעלה, דרך ביר גפגפה אל ניצנה ואל אל עריש. בכך נוצר כיתור של הכוח המצרי באל-עריש, והונח מחסום בפני תגבורת מצרית שעלולה הייתה לבוא מעומק סיני, ובפני איום על עורפה של חטיבת הצנחנים. למחרת תפסה החטיבה, עם כוחות חי"ר מחטיבה 10, את מתחם אום-כתף שהיה ריק למעשה, והייתה מוכנה להמשך התנועה בציר המרכזי לכיוון התעלה. ראש מחלקת המבצעים במטכ"ל, ישעיהו גביש, הגדיר את האירוע הזה "נקודת המפנה במערכה... הרווחנו יום אחד בהתקדמות של חטיבה 7, ויום אחד כהפתעה, כי [בן ארי] נע קדימה במהירות וקידם את החטיבה עוד לפני שהאויב הבין מה קורה בחזית".
בדיעבד התברר, שהפעלתה של חטיבה 7 לכיבוש מתחם אבו עגילה (מהלך שהתאפשר בזכות הכנסתה המוקדמת של החטיבה, יום אחד לפני כן) היה המהלך המרכזי, שהכריע את גורל המלחמה. בעקבות נפילת המתחם נפתח לתנועה הציר הראשי של סיני אל עבר תעלת סואץ. בנוסף, המערך המצרי בסיני החל להתמוטט, הכוחות העיקריים החלו בנסיגה, ומתחם אום כתף נתפס למעשה ללא קרב של ממש. כמו כן נפתחה הדרך לאוגדה 77 לפרוץ את הציר הצפוני אל תעלת סואץ, מבלי לחשוש מהתקפת נגד מצרית.
קרב המיתלה.
חטיבת הצנחנים 202 חנתה באזור מצבת פרקר, בפתחו של מעבר אל-חיטאן, שהוא חלקו המזרחי של מעבר המיתלה. מפקד החטיבה, אל"ם אריאל שרון, לא ידע שמשימתו הייתה משימת סרק, שנועדה רק לספק את העילה למעצמות להגיש אולטימטום כביכול, כדי ש"יסיגו את כוחותיהם" מאזור תעלת סואץ; אולם הוא ידע היטב שמשימתו בשלב הראשון היא רק להתייצב בפתח המעבר ולא לכבוש אותו. בהתאם לאופיו הפרו-אקטיבי של שרון, הוא חש אי-נחת רבה מכך שיחידתו לא משתתפת במאמץ הלחימה. הוא דרש במברק למצפ"ה לצאת לכיוון מערב ולתפוס את המעבר, בהיותו סבור שהמעבר ריק מאויב. מכיוון שלא היה צורך צבאי אמיתי בתפיסת המעבר, שרון לא קיבל אישור לכך. בעקבות תקיפה של החטיבה על ידי מטוסים מצריים, שהסבה לה אבדות, ביקש שרון לשפר עמדות לפנים ולהתמקם בפתח המעבר. גם לכך לא קיבל אישור, והרמטכ"ל פקד עליו, שאם לא יוכל להתגונן באזור הצומת בו היה פרוס, עליו לחזור מזרחה לכיוון נח'ל. שרון התעקש, וביקש להוציא כוח סיור לכוון המעבר. מבוקשו הזה אושר לו על ידי ראש מטה פיקוד הדרום, רחבעם זאבי. כוח הסיור ששלח שרון מנה את כל גדוד 88 של החטיבה, בפיקודו של מרדכי גור, מתוגבר במחלקת טנקים ובמרגמות, ובנוסף את הסמח"ט יצחק חופי ומג"ד נוסף, אהרן דוידי. על דעתם של רבים בצה"ל ומחוצה לו, היה זה כוח גדול בהרבה מהדרוש לסיור-גישוש, והדבר העיד על כוונתו מלכתחילה של שרון לכבוש את המעברים.
בטרם נע כוח הסיור ליעדו, הגיעו לחטיבת הצנחנים ידיעות על כוח אויב שנכנס למעבר. ראיה לכך ניתנה כשניתכה אש מרגמות על החטיבה מכיוון המעבר, אם כי לא היה ידוע מה גודלו של כוח האויב. האמת הייתה, שיום אחד אחרי ההצנחה, ב-30 באוקטובר, נכנס לתוך המעברים כוח מצרי גדול בן חמש פלוגות, מחטיבת החי"ר מספר 2.
כשנכנס כוח הסיור הגדודי למעבר המזרחי, בצהרי 31 באוקטובר, נפתחה עליו אש כבדה ויעילה מתוך מחסות ושטחים שולטים, מבלי שהכוח המותקף יכול היה לזהות את מיקום האויב. מספר זחל"מים וטנק אחד נפגעו, ושאר הכוח הצליח לעקוף אותם ולהגיע לקצה המעבר. הכוח התארגן לחלץ את הפגועים, ולתקוף את המצרים שהיו מוסתרים בתוך מערות ונקיקים, משני עברי המעבר. בלחימה עיקשת, תוך גילויי גבורה רבים שנמשכה עד בוקר המחרת, הצליחו הצנחנים לטהר את המעבר. המחיר היה כבד - 38 צנחנים הרוגים, וכ-120 פצועים.
פיקוד הדרום, שלא היה מעורב בתקשורת בין מצפ"ה והמח"ט שרון, קיבל הודעה על תוצאות הקרב רק כשהתבקש לסייע בפינוי הפצועים. גם הרמטכ"ל הופתע מההתרחשות, ולימים כתב בספרו, יומן מערכת סיני, כי כעס מאוד על שרון. ואף יותר משכעס בגלל האבדות הרבות, הוא התלונן על כך שמפקד בכיר הונה את הרמטכ"ל, כדי לבצע פעולה שלא נדרש לה. שרון טען, שקיבל אישור ממפקד פיקוד הדרום שמחוני לטהר את המעברים. אולם חוקרים אחדים מטילים ספק באמינות הטענה, לאור העובדה שדיין, אף על פי ששמר טינה לשמחוני בגלל הפעלתה של חטיבה 7, לא הזכיר טענה כזאת מעולם. אותם חוקרים טוענים גם, שאין זה סביר כלל ששמחוני, שהכיר היטב את שרון, היה מאפשר לו חופש פעולה בנסיבות כאלה.
קרב המיתלה התקבע מאז במורשת הקרב של צה"ל כקרב גבורה, שסייע לצה"ל הצעיר לבסס את ערכי הלחימה של יחידות העילית: דבקות במשימה, חירוף נפש ותעוזה; אך רבים מתחו ביקורת על עצם היציאה לקרב, בשל חוסר התועלת הטקטית שבו, במיוחד לאור העובדה שהמעבר לא שימש את צה"ל כדי להגיע לתעלת סואץ.
פעילות חיל האוויר.
בימי הלחימה הראשונים נאבק חיל האוויר הישראלי לבדו בשמי סיני כנגד חיל האוויר המצרי. ב-30 באוקטובר עלו לאוויר מטוסי דאסו מיסטר על מנת לחפות על הכוח הקרקעי במעבר המיתלה, וכנגדם הוזנקו כ-20 מטוסי קרב מצריים. בקרב הופל מטוס מיג אחד ואחרים נפגעו אך לא נפלו. למחרת, ב-31 באוקטובר, נתקל זוג מטוסי מיסטר ברביעיית מטוסי ומפייר מצריים. בקרב האוויר שהתפתח הצליח זוג המטוסים הישראלי להפיל את ארבעת המטוסים המצריים. ב-2 בנובמבר נפגע מטוס מיסטר שהוטס בידי בני פלד מאש נ"מ, והוא נטש בעזרת כסא מפלט בדרום סיני. פלד הסתתר במדבר וחולץ בשלום על ידי טייס פייפר. הייתה זו הנטישה הראשונה בעזרת כיסא מפלט בחיל האוויר. ב-3 בנובמבר נשלחו שתי רביעיות למשימת סיוע באזור שארם א-שייח', המטוסים הטביעו ספינה מצרית קטנה ותקפו בטעות את אניית המלחמה הבריטית קריין.
ב-1 בנובמבר הצטרפו חילות האוויר של הממלכה המאוחדת ושל צרפת למערכה, והצליחו לשתק את חיל האוויר של מצרים.
התנועה בציר הצפוני.
בערבו של 31 באוקטובר, משדעכו החששות מפני התגובה המצרית, הופעלה גם אוגדה 77. משימתה הייתה לפתוח את ציר התנועה בצפון סיני, ולהגיע עד למרחק של 15 ק"מ מהתעלה, בהתאם להסכם עם המעצמות. האוגדה בפיקודו של חיים לסקוב, הוותיק באלופי צה"ל וה"סוכן" העיקרי בצה"ל של לוחמת השריון, לא התקשתה לבצע את משימתה, בין היתר בזכות ההתנגדות המעטה. הרמטכ"ל ליווה את האוגדה בתנועתה, אולם הוא הניח למפקדהּ ולמפקד חטיבת השריון 27 חיים בר-לב, שהיה ראש מטהו בפיקוד הצפון, לנהל את הלחימה באופן עצמאי. חטיבת גולני כבשה חלק ממוצבי רפיח, וחטיבה 27 פרצה דרך המוצבים, ובמהלך 1 בנובמבר כבשה את מתחם הג'יראדי, ולמחרת כבשה את אל-עריש והמשיכה להתקדם בציר הצפוני עד למרחק המיועד מהתעלה, שם התייצבה בצהרי יום שישי, 2 בנובמבר.
שלב ניצול ההצלחה: 2–5 בנובמבר.
ב-2 בנובמבר הורה הפיקוד המצרי על נסיגה מסיני. הנסיגה הפכה במידה רבה למנוסה, וחיילים מצריים רבים חלצו את נעליהם וצעדו יחפים בחולות. תמונות של הנעליים הנטושות התפרסמו בעיתונות הישראלית, ושימשו את ישראל כדי ללעוג לצבא המצרי המובס.
אור ליום 2 בנובמבר הורה ראש אג"מ, מאיר עמית לשמחוני לכבוש את רצועת עזה, על פי הנחיה ישירה של ראש הממשלה, ומתוך חשש שהשעון המדיני מתקתק ובמהרה תיכפה על צה"ל הפסקת אש. שמחוני פקד על חטיבה 11 בתוספת גדוד מחטיבה 37, בפיקוד אל"ם אהרון דורון, להיערך לכיבוש הרצועה. באותה עת נודע שאונית מלחמה אמריקנית עתידה להגיע למחרת לאזור, כדי לפנות אזרחים אמריקנים מהרצועה, ושמחוני חשש שזה יהיה הזרז לקביעה של הפסקת האש. חטיבה 11 השתהתה ביציאה למתקפה, בין היתר בגלל היעדרו של ריכוך ארטילרי ואווירי, שנגרם מחשש לפגיעה באזרחים אמריקנים, ובשל מחסור ביחידות תותחנים ומטוסי תקיפה. שמחוני החליט שהמשימה דחופה דיה כדי לתקוף ללא ריכוך. הוא יצא בעצמו אל שטחי הכינוס של החטיבה, דחק במפקדים להזדרז, ואף טרח לאסוף קציני שריון מזדמנים כדי לסייע בפיקוד על הטנקים הכשירים המעטים של צג"מ 37. על פי עדותו, נוכחותו של מפקד הפיקוד בשטח ביחד עם יוסף אבידר, שהיה אלוף במילואים ושהגיע לישראל ממקום שירותו כשגריר במוסקבה, הפיחה רוח לחימה בלוחמי החטיבה, והיא יצאה לדרכה.