Командующий 1-м Украинским фронтом выполнил требование Сталина. С утра 4 ноября войска 38-й армии возобновили наступление. В тот день погода ухудшилась, пошел моросящий дождь, из-за тумана видимость не превышала 1–3 км. Все это затрудняло использование артиллерии и совершенно исключало применение авиации. Дороги для автотранспорта стали труднопроходимыми. Вся надежда возлагалась на пехоту и танки. Для наращивания усилий генерал армии Ватутин ввел в сражение 3-ю гвардейскую танковую армию и 1-й гвардейский кавалерийский корпус.
Танки пошли в атаку с включенными фарами и сиренами, ведя интенсивный огонь из орудий и пулеметов. Этот прием атаки в сочетании со смелым маневром по лесным дорогам и просекам ошеломил противника, который начал поспешный отход. К исходу дня 4 ноября 55-я и 56-я гвардейские танковые бригады 7-го гвардейского танкового корпуса генерала К.Ф. Сулейкова заняли северную окраину Святошина и перерезали шоссе Киев – Житомир. В результате упорных боев основные силы 6-го и 7-го гвардейских танковых корпусов к 16 часам 5 ноября заняли район Беличи, а через два часа освободили Святошино. К исходу дня 71-я механизированная бригада 9-го механизированного корпуса вышла к Петропавловской Борщаговке, а 69-я механизированная бригада, наступавшая вдоль восточного берега Ирпени, закрепилась в районе Шевченко, в 4 км к югу от шоссе Киев – Житомир. Одновременно 54-я гвардейская танковая бригада (командир – генерал-майор танковых войск В.Г. Лебедев) 7-го гвардейского танкового корпуса внезапным ударом овладела г. Васильков, отрезав пути отхода противника из-под Киева в южном направлении. 5-й гвардейский танковый корпус генерала А.Г. Кравченко, наступавший совместно с соединениями 38-й армии, отразил на подступах к Киеву несколько контратак 20-й моторизованной дивизии и главными силами ворвался на улицы города с севера. Одновременно в бой вступили вторые эшелоны 38-й и 60-й армий.
С перехватом шоссе Киев – Житомир основным путем снабжения киевской группировки противника и ее возможного отхода стали шоссе и железная дорога Киев – Фастов. Командующий 3-й гвардейской танковой армией поставил задачу отряду в составе 6-го гвардейского танкового корпуса, одной бригады 9-го механизированного корпуса и 91-й отдельной танковой бригады 6 ноября овладеть Фастовом, а частям 7-го гвардейского танкового корпуса и 9-го механизированного корпуса занять Васильково.
Противник, стремясь избежать окружения, начал отвод своих войск из Киева. К утру 6 ноября город был освобожден советскими войсками. «После тяжелых боев, – отмечал Манштейн, – был оставлен Киев, так как действовавший здесь 7 ак (армейский корпус. –
Приказом Верховного Главнокомандующего почетное наименование Киевских было присвоено 6-му и 7-му гвардейским танковым, 9-му механизированному корпусам 3-й гвардейской танковой армии.
Командующий группой армий «Юг» был вынужден отказаться от контрнаступления на криворожском направлении и бросить в сражение под Киевом все имевшиеся в его распоряжении силы. С этой целью в районах Фастова и Белой Церкви начала сосредоточиваться усиленная 100 танками «Тигр» 25-я танковая дивизия, прибывавшая из Франции. Одновременно с букринского плацдарма в район Гребенки была переброшена танковая дивизия СС «Рейх», а из-под Кременчуга – 198-я пехотная дивизия. Западнее Ржищева развернулись 3-я танковая и 10-я моторизованная дивизии, передислоцированные из-под Букрина. В район Белой Церкви было переброшено управление 48-го танкового корпуса с задачей объединить находившиеся здесь и вновь прибывавшие войска под общим командованием.
Командующий 1-м Украинским фронтом, стремясь не дать противнику организовать оборону, потребовал от войск продолжать стремительное преследование днем и ночью, путем искусного маневра выходить на тылы отходившего врага, окружать и уничтожать его. В соответствии с новыми задачами общий фронт наступления расширялся. 13-я армия начинала наступление южнее рек Уж и Припять на овручском направлении, 60-я – на коростеньском направлении, а 38-я – по двум расходящимся направлениям – на западном на Житомир и южном на Белую Церковь. Сюда же должны были наступать 40-я и 27-я армии с букринского плацдарма. В центре полосы наступления 38-й армии удар на Фастов и Казатин наносила 3-я гвардейская танковая армия.