Советские войска начали гонку за отходившими соединениями группы армий «Юг». 20 сентября части 5-й гвардейской и 53-й армий Степного фронта подошли к Полтаве, городу, преграждавшему путь к Днепру. Данные разведки свидетельствовали, что враг готовится упорно обороняться. Гарнизон Полтавы был увеличен вдвое. По правому берегу р. Ворскла заблаговременно были созданы оборонительные позиции, подступы к которым прикрывались различными инженерными сооружениями. Все каменные здания в Полтаве были приспособлены к круговой обороне.
И. С. Конев придавал большое значение захвату Полтавы. 21 сентября он прибыл на командный пункт 5-й гвардейской армии. Вместе с командармом генералом А. С. Жадовым командующий фронтом выехал в 33-й гвардейский стрелковый корпус. На наблюдательном пункте командира 95-й гвардейской стрелковой дивизии генерала Н. С. Никитченко они отработали все детали предстоящего штурма Полтавы. Затем направились в 97-ю гвардейскую стрелковую дивизию, где заслушали решение ее командира полковника И. И. Анциферова.
Поздно вечером на заседании Военного совета 5-й гвардейской армии был уточнен план разгрома противника. Штаб фронта совместно со штабом командующего артиллерией спланировал организацию огневого поражения противника. Большое внимание было уделено вопросам организации тесного взаимодействия всех родов войск.
22 сентября после артиллерийской подготовки при поддержке авиации решительной атакой и обходным маневром Полтава была освобождена. Первыми в город ворвались штурмовые отряды 95-й гвардейской стрелковой дивизия.
Успешно развивалось наступление и на других фронтах. 21 сентября войска Центрального фронта освободили Чернигов, а соединения 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта вышли к Днепру южнее Киева. На следующий день к Днепру подошли войска 13-й армии Центрального фронта. Они при поддержке авиации и артиллерии с ходу форсировали реку и овладели плацдармами в междуречье Днепра и Припяти. Одновременно передовой отряд 6-го танкового корпуса 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта захватил плацдарм в районе Великого Букрина. Войска Юго-Западного фронт вышли на рубеж Новомосковск, восточнее Запорожья, а его ударная группировка достигла Днепра. Войска Южного фронта, преследуя противника, заняли рубеж западнее Орехова, р. Молочная, Мелитополь. Однако попытки соединений 5-й ударной и 2-й гвардейской армий с ходу прорвать вражескую оборону успеха не имели.
На этом завершилась Донбасская операция, в ходе которой войска Южного и Юго-Западного фронтов продвинулись на глубину до 300 км, разгромили 13 дивизий противника, создав благоприятные условия для освобождения Северной Таврии, Правобережной Украины и Крыма. Однако Южному фронту не удалось окружить и уничтожить таганрогскую группировку врага. Потери войск Юго-Западного и Южного фронтов составили: безвозвратные – 66 166 человек, санитарные – 207 356 человек; 886 танков и САУ, 814 орудий и минометов, 327 самолетов.[236]
Несмотря на все сложности, отход войск группы армий «Юг» прошел в основном без серьезных осложнений. Соединения 6-й армии сумели быстро отойти на заранее подготовленные позиции севернее Мелитополя и на запорожский плацдарм. Сложнее обстояло дело в полосах 1-й танковой, 4-й танковой и 8-й армий. Для отхода за Днепр они располагали всего пятью переправами. Левый фланг 1-й танковой армии и 8-я армия не могли отходить к реке по прямой. Их пришлось отводить севернее Днепра, почти параллельно к нему, на запад, чтобы выйти к переправам, использование которых могло обеспечить своевременное занятие оборонительных позиций за рекой во всей полосе группы армий «Юг». Труднее всего приходилось 8-й армии, которой приходилось при отходе с боями пробиваться к своей западной переправе у Черкасс. На левом фланге группы армий, где находилась 4-я армия, существовала еще одна опасность, заключавшаяся в том, что в результате развития событий на южном фланге группы армий «Центр» она вообще могла быть отрезана от Киева.
В результате мер, принятых фон Манштейном, войска 8-й армии по всей полосе от Кременчуга до Киева отошли за Днепр. Соединения 4-й танковой армии еще располагались по обе стороны от Киева, но потеряли связь со 2-й армией группы армий «Центр».