La liberazione della capitale ucraina divenne quindi l'obiettivo principale di questa fase delle operazioni dell'Armata Rossa; un primo tentativo a partire dalla testa di ponte meridionale venne respinto dai tedeschi nonostante l'intervento di alcune brigate paracadutiste sovietiche e quindi il generale Vatutin organizzò un audace manovra per trasferire l'armata corazzata del generale Rybalko di nascosto nella testa di ponte settentrionale. La manovra colse di sorpresa i tedeschi e i carri armati sovietici avanzarono in profondità intercettando le ferrovie strategiche e respingendo i contrattacchi dei mezzi corazzati nemici; Kiev venne liberata il 6 novembre 1943, alla vigilia dell'anniversario della Rivoluzione d'ottobre. Le unità corazzate sovietiche cercarono di sfruttare il successo avanzando fino a Žytomyr ma a questo punto il feldmaresciallo von Manstein aveva ricevuto numerose divisioni corazzate provenienti da altri fronti e poté sferrare un pericoloso contrattacco riconquistando Žytomyr e mettendo in difficoltà le punte avanzate sovietiche. Il generale Vatutin ricevette a sua volta forti rinforzi con i quali riuscì a frenare la controffensiva tedesca, mantenendo il possesso di Kiev.