В создавшейся обстановке необходимо было в минимально короткий срок завершить разгром черниговской группировки противника и освободить город Чернигов. Поэтому командир 28-го стрелкового корпуса принимает решение овладеть Черниговом ночным штурмом. В 15.00 он поставил задачи командирам 148, 181 и 211-й стрелковых дивизий, командиру 129-й отдельной танковой бригады майору A.M. Савченко (резерв корпуса), командирам — 874-го истребительно-противотанкового полка подполковнику А.П. Федорову, 476-го минометного полка майору В.Г. Гладких, 1287-го зенитного артиллерийского полка подполковнику Остроглазову. Предоставив подчиненным время для подготовки ночного штурма, генерал А.Н. Нечаев согласовал с командующим 16-й воздушной армией генерал-лейтенантом Руденко вопрос авиационного обеспечения, к которому привлекались 20-я гв. штурмовая авиационная дивизия, 273-я истребительная авиационная дивизия, 6-й истребительный авиационный корпус и 271-я авиационная дивизия ночных бомбардировщиков.
После короткого огневого налета в 01.0021 сентября 148-я и 181-я стрелковые дивизии приступили к штурму. 148-я стрелковая дивизия начала штурм с форсирования р. Стрижень, на западном берегу которой противник занимал подготовленную оборону. Ожесточенный бой на переправах через эту речку шел несколько часов. Только около 4.00 части дивизии ворвались в Чернигов и завязали уличные бои. В ходе их особенно успешно действовала штурмовая группа в составе 1-й стрелковой роты 654-го стрелкового полка под командованием старшего лейтенанта И.Л. Быковского. В период штурма путь роте преградил сильно укрепленный опорный пункт гитлеровцев (крахмальный завод), подступы к которому были заминированы. Оборонял его довольно значительный гарнизон, располагавший несколькими артиллерийскими орудиями. Попытка овладеть этим опорным пунктом с ходу не удалась. Тогда командир роты, сковав частью сил противника с фронта, использовал ночные условия, чтобы главными силами совершить смелый обходный маневр с целью выхода противнику в тыл. Подвергшись внезапному удару с тыла и не зная истинной численности действовавшего перед ним советского подразделения, ошеломленный противник поспешно прекратил сопротивление и оставил опорный пункт, которым рота Быковского овладела почти без потерь.
Преодолевая упорное сопротивление противника, части 148-й стрелковой дивизии к рассвету полностью овладели восточной частью Чернигова и вышли на соединение с наступающими с юга полками 181-й стрелковой дивизии. К этому времени ее 292-й стрелковый полк уничтожил вражескую группировку в юго-западной части города, овладев вокзалом. 129-й отдельный танковый батальон перерезал шоссе, идущее из Чернигова на запад. 288-й стрелковый полк во взаимодействии с 887-м полком 211-й стрелковой дивизии к рассвету перешел в преследование противника в западном направлении.
Одновременно с севера к Чернигову с боями подходила 77-я гвардейская стрелковая дивизия. Почувствовав угрозу окружения, вражеский гарнизон начал поспешное отступление в северо-западном направлении. Свой отход противник осуществлял под прикрытием сильных арьергардов, борьба с которыми в северной части города продолжалась еще несколько часов. К полудню 21 сентября 1943 года город Чернигов был полностью освобожден советскими войсками.
В результате трехдневных боевых действий 28-й стрелковый корпус во взаимодействии с левофланговыми соединениями 61-й армии осуществил разгром черниговской группировки противника. В ходе боевых действий с 19 по 21 сентября 1943 года частями корпуса были разгромлены две танковые и одна пехотная дивизии противника, а также несколько его отдельных частей. Было уничтожено более 2 тысяч гитлеровцев, до 30 танков и штурмовых орудий, 10 самолетов, 58 орудий и минометов, 5 бронемашин, а также много другой боевой техники и вооружения. Количество пленных превышало 100 человек, трофеями стали 51 орудие и миномет, около 80 пулеметов, до 120 тонн горючего, свыше 500 тонн продовольствия и 260 вагонов с различными воинскими грузами.