9 сентября в наступление перешел Воронежский фронт, которому противостояли 4 танковая и 8 армии противника – 20 пехотных и 10 танковых дивизий. Под Лохвицей Воронежский фронт прорвал оборону 4 ТА. 21 сентября войска Воронежского фронта стали переправляться через Днепр в районе сел Малый и Большой Букрин, образовав Букринский плацдарм. Но попытка расширить плацдарм 25 сентября с помощью воздушного десанта оказалась неудачной.
«Восточный вал» был пробит, но не прорван. Германские войска под командованием Манштейна наносили контрудары, блокировали плацдармы.
Первоначально операцию по освобождению Киева планировалось начинать с Букринского плацдарма, с юга. Манштейн осознал опасность этого плацдарма и сосредоточил силы напротив него. Попытки наступления с Букринского плацдарма 12–15 и 21–22 октября кончились неудачей. В ходе ожесточенных боев стало ясно, что здесь пробить оборону противника сложнее, чем на другом плацдарме – Лютежском, севернее Киева, который был создан 26 сентября. 25 октября Ставка приняла решение наносить главный удар не с Букринского, а с Лютежского плацдарма. 3 танковая армия под командованием генерала П. Рыбалко была скрытно переброшена с Букринского плацдарма на Лютежский. Поскольку наступление совпало с кануном годовщины Октябрьской революции, политорганы 1 Украинского фронта выдвинули призыв «Освободим Киев к 26 годовщине Великого Октября!», хотя относительно планов взятия столицы Украины 5 ноября этот призыв звучал даже несколько расхолаживающе.
Начав операцию с отвлекающего удара на Букринском плацдарме 1 ноября, 3 ноября войска Воронежского фронта нанесли основной удар с Лютежского плацдарма и, преодолев ожесточенное сопротивление, 6 ноября взяли Киев. Безвозвратные потери в операции по освобождению Киева составили 6491 человек.
Преследуя противника, войска фронта 13 ноября взяли Житомир. Но к этому времени Манштейн сосредоточил 15 дивизий, в том числе 7 танковых и моторизованных 4 танковой армии Г. Гота, которые нанесли опасный контрудар, окружив часть 60 армии И. Черняховского. Немцы не только отбили Житомир 20 ноября, но также стали угрожать Киеву.
1 ноября войска 4 Украинского фронта прорвались через Перекоп в Крым, но были отброшены. Одновременно был высажен десант под Керчью, рядом был захвачен также плацдарм под Эльтигеном. Однако основным силам десанта из-за шторма высадиться не удалость, плацдарм был блокирован. «Эльтигенцы» в декабре провели смелый рейд и соединились с основными силами. Бои под Керчью продолжались до апреля 1944 г.
20 октября в связи с начавшимся освобождением Украины произошло переименование фронтов: Воронежский – в 1 Украинский (командующий Н. Ватутин), Степной – во 2 Украинский (командующий И. Конев), Юго-западный – в 3 Украинский (командующий Р. Малиновский), Южный – в 4 Украинский (командующий Ф. Толбухин). В 4-х фронтах было 2406 тыс. человек, 2015 танков и САУ, 2600 боевых самолетов, 28654 орудий и минометов. Им противостояли группы армий «Юг» (командующий Э. Манштейн) и «А» (командующий Э. Клейст). Они располагали 1760 тыс. солдат, 2200 танков и штурмовых орудий, 1460 боевых самолетов и 16800 орудий и минометов. Советские войска быстрее пополнялись живой силой (в том числе и за счет мобилизации на Украине) и техникой. Так, в боях за Правобережную Украину было потеряно до 12000 советских танков, но Красная армия достигла превосходства по танкам над противником. Уже в начале марта по советским данным 2442 советские машины приходились на 2000 машин противника (возможно, их количество было даже меньшим).
К началу 1944 г. на Украине было сосредоточено 40 % пехотных и 70 % танковых и моторизованных дивизий восточного фронта противника и 42 % стрелковых и 80 % танковых и механизированных дивизий советского фронта. С обеих сторон в сражении участвовало около 4 миллионов человек.
Началось освобождение Правобережной Украины. Замысел Ставки заключался в том, чтобы, наступая в юго-западном направлении от Днепра, расчленить группы армий «Юг» и «А», изолировать их от группы армий «Центр» и прижать немецкие войска к морю, отрезая им пути отхода.
В ходе сражений несколько раз повторялся один и тот же сценарий. Превосходящие по численности советские войска наносили удары, раскалывающие фронт противника, охватывали его крупную группировку. Окруженные войска вермахта сохраняли боеспособность, Манштейн наносил контрудары. В итоге окруженная группировка, бросив технику, как правило, выходила из окружения с большими потерями. Войска обеих сторон вязли в грязи, но Красная армия продвигалась вперед.
В целом наступление на Правобережной Украине получило название Днепровско-карпатская стратегическая операция (24 декабря 1943–6 мая 1944 гг.), которая сама является серией фронтовых операций.
В ходе Житомирско-Бердичевской операции (24 декабря 1943– 15 января 1944 гг.) войска 1 Украинского фронта отбросили противника дальше от Киева и освободили Житомир, создав угрозу флангу группы армий «Юг».