ב-3 בנובמבר 1943 החל מבצע צבאי לשחרור קייב. המבצע ההתקפי של קייב החל ב-3 בנובמבר 1943. חיילים סובייטים הטילו את המכה העיקרית להגנת הצבא הגרמני. לאחר ארבעים דקות של הכנה ארטילרית, התקדמו יחידות הצבא האדום 1–2 קילומטרים. בערב היום הראשון, דיוויזיית הרובאים ה-240, בתמיכת חיל התותחנים ה-7, הגיעה לאזור הפרברי של קייב בפושצ'ה-וודיצה. עד סוף ה-4 בנובמבר הצליחו יחידות הארמייה ה-38, למרות עזרתם של חיל הטנקים של המשמר ה-5 וארמיית הטנקים של המשמר ה-3, להתקדם מכיוון הצפון רק 5–6 קילומטרים, והגיעו לפריורקה ולפאתיה הצפוניים של קייב. בליל 4–5 בנובמבר נכנסו לקרב חיל הפרשים של המשמר הראשון וארמיית הטנקים של המשמר השלישי, וחתכו את הכביש המהיר קייב-ז'יטומיר בגישות המערביות לעיר. תפקיד משמעותי בשחרור בירת אוקראינה מילא בחציית הדנייפר ב-4 בנובמבר על ידי דיוויזיית הרגלים ה-237 באזור האי קזאצ'י, מול הכפרים ויטה-ליטובסקיה ופירוגובו, כ-15 קילומטרים דרומית לקייב. בוויטה-ליטובסקאיה כבשו הכוחות הסובייטים את כביש החוף המוביל לקייב לאורך הדנייפר. הדבר שלל מהפיקוד הגרמני את האפשרות להעביר תגבורת מראש הגשר של בוקרין. בבוקר ה-5 בנובמבר החלו כוחות גרמנים לסגת לאורך הכביש המהיר לווסילקוב. עד עלות השחר ב-6 בנובמבר 1943, קייב שוחררה לחלוטין. בהמשך המתקפה, יחידות סובייטיות שחררו את פאסטוב ב-7 בנובמבר ואת ז'יטומיר ב-13 בנובמבר. היחידות הנסוגות של הקורפוס הגרמני ה-7 עצרו רק חמישים קילומטרים מדרום לבירה. עד סוף נובמבר התקדמו הארמיות ה-60 וה-13 לקו מצפון לנרובליה, ילסק ואוברוך, מזרחית לקורוסטן. בתחילת נובמבר, הפיקוד הגרמני של קבוצת ארמיות דרום לא היה מסוגל להשתמש במאגרים הניידים המוגבלים שלו - טנקים ודיוויזיות ממונעות - ליד קייב. במקביל, התכוננו הכוחות הגרמניים להתקפת נגד באזורים התחתונים של הדנייפר - באזורי קריבוי רוג, אפוסטולוב וניקופול.