Après avoir réorganisé son unité décimée et épuisée par les précédents combats (qui devient blindée de la Garde en mai), Rybalko participe à la bataille de Koursk (opération Koutouzov) sous le commandement de Constantin Rokossovski (front du Centre). Il s'y distingue malgré les nombreux défauts de logistique. À la fin de 1943, il participe de manière décisive à l'offensive en Ukraine orientale (la bataille du Dniepr) pour libérer Kiev (bataille de Kiev). Il réalise une manœuvre modèle de rocade, de nuit sur deux axes, utilisant le silence radio et la surprise pour masquer son avance, se retirant de la tête de pont dans le méandre de Boukrine (à au sud-est de Kiev, près de Kaniev) du 23 au , pour franchir le Dniepr à Liutej (au nord de Kiev). Après avoir franchi un énorme champ de mines, il parvient à établir une tête de pont sur la rive occidentale le et à reconquérir Kiev le : pour cette action, il obtient les distinctions de héros de l'Union soviétique et de l'ordre de Lénine (par décision du Soviet suprême du ).