Таким образом, прорыв тактической обороны на всех четырех участках был осуществлен в течение одного дня, а к исходу третьего дня операции все прорывы были объединены в общую брешь шириной до 200 км, и армии перешли к преследованию на широком фронте. Немецкую группировку, отступавшую из района Радомышля на Житомир, преследовали параллельными путями: с юго-востока — 3-я гвардейская танковая армия, а с северо-востока — 4-й гвардейский танковый корпус из фронтового резерва. Немцев, отходивших от Брусилова на Казатин, преследовала 1-я танковая армия.
К 30 декабря прорыв был расширен до 300 км по фронту, а его глубина достигла 100 км. Завязались бои за Житомир, Бердичев, Белую Церковь. По советским данным, к исходу шестого дня наступления войск 1-го Украинского фронта немцы потеряли убитыми и ранеными до 40 000 солдат и офицеров, свыше 3000 человек пленными, 579 танков, 92 штурмовых орудия, более 700 орудий и 680 минометов. Можно подумать, что танков у генерала Рауса не осталось вовсе, вот только, по данным противника, вермахт за весь декабрь 1943 года на всех фронтах потерял 549 танков и 267 штурмовых орудий.
Своим наступлением войска Ватутина, охватывая Каневскую группировку противника, создавали реальные предпосылки для ее окружения, что позволяло образовать в оперативной обороне врага значительную брешь, развитие наступления в которой могло привести к стратегическому прорыву. Дело было за 2-м Украинским фронтом.
Командование группы армий «Юг», еще недавно оптимистически оценивавшее положение, оказалось перед необходимостью «мучительной переоценки» обстановки. Фронт на огромном пространстве угрожающе трещал, готовый рухнуть. 4-я танковая армия откатывалась на запад. Надежды на возобновление обороны по Днепру исчезли. 25 декабря Манштейн вновь предложил ОКХ оставить никопольский выступ и за счет сокращения линии фронта перебросить на свой северный фланг 1-ю танковую армию генерал-полковника фон Макензена. Гитлер по-прежнему колебался в принятии решения.
В надежде замедлить темп советского наступления германское командование срочно подтягивало резервы, осуществляло реорганизацию управления войсками. Правофланговые соединения 4-й танковой армии — 24-й танковый и 7-й армейский корпуса, по существу отрезанные в каневском выступе, и часть войск из состава 8-й армии 29 декабря были подчинены переброшенному из Апостолова в Умань управлению 1-й танковой армии, войска которой передавались управлению 6-й армии. Соединения последней составили 44-й отдельный корпус. В районе Христиановки сосредоточивался 3-й танковый корпус — 6-я, 17-я танковые и 101-я легкопехотная дивизии, юго-восточнее Винницы — выделенный ОКХ 46-й танковый корпус в составе 16-й танковой, 1-й пехотной и 4-й горнострелковой дивизий. На эту перегруппировку отводилось шесть суток, тем временем обстановка в полосе 4-й танковой армии становилась критической.
В конце декабря серьезные события назревали в районе Житомира. Здесь действовала группировка в составе 7-й танковой дивизии, части сил дивизии СС «Адольф Гитлер», 68, 208, 340-й пехотных и 213-й охранной дивизий.
Немцы намеревались упорно оборонять город, являвшийся важным узлом коммуникаций. Командование 1-го Украинского решило разгромить неприятельские войска одновременным ударом с флангов и с фронта. В соответствии с этим замыслом дивизии 60-й армии обошли город с северо-запада, перерезав шоссе и железную дорогу Житомир—Новоград—Волынский, а действовавший в составе армии 4-й гвардейский танковый корпус генерала П.Л. Полубоярова прорвался в район Высокой Печи, перехватив дорогу, ведущую от Житомира на запад. В это же время соединения 18-й и 3-й гвардейской танковой армий обошли город с юго-востока и перерезали шоссе и железную дорогу Житомир—Бердичев. Войска 1-й гвардейской армии подошли к Житомиру с востока.
В результате глубокого охвата флангов житомирской группировки оборонительные мероприятия противника в районе Житомира потеряли свое значение. Угроза окружения, нависшая над войсками, вынудила германское командование оставить этот узел сопротивления и начать отвод своих сил из Житомира на юг с целью соединиться с бердичевской группировкой. 31 декабря войска 1-й гвардейской и 18-й армий освободили город.
С освобождением Житомира и Казатина центр основных событий переместился на бердичевское направление, куда устремились основные силы фронта. Левофланговые части Катукова и Москаленко, гоня перед собой остатки 25-й танковой дивизии, угрожали коммуникациям в районе Винницы и Жмеринки.