Наступление главных сил 1-го Украинского фронта началось в 9 часов 24 декабря после мощной артиллерийской и авиационной подготовки. Они в первой половине дня прорвали главную полосу обороны противника на глубину до 4 км. Командующий фронтом, стремясь быстрее завершить прорыв обороны, ввел в сражение в полосе 18-й армии 3-ю гвардейскую танковую армию, а в полосе 38-й армии – 1-ю танковую армию.
Передовые отряды корпусов первого эшелона танковых армий во взаимодействии с пехотой быстро завершили прорыв обороны и создали условия для стремительного развития наступления в оперативной глубине. Мощными ударами войска противника были рассечены на две части, управление деморализовано, и они начали отходить в западном направлении. На исходе дня 3-я гвардейская танковая армия получила новую задачу: с утра 25 декабря нанести удар в направлении Коростышева во фланг радомышльской группировке противника, во взаимодействии с правым соседом – 1-й гвардейской армией – разгромить эту группировку и к исходу дня выйти на рубеж Коростышев, Харитоновка.
После упорных боев соединения 3-й гвардейской танковой армии 27 декабря форсировали р. Тетерев на участке от Козиевки до Харитоновки и заняли Коростышев и Харитоновку. Передовой отряд 6-го гвардейского танкового корпуса овладел Смоловкой и восточной частью Левкова. Успешно развивалось и наступление 13, 60, 40 и 27-й армий. Командующий группой армий «Юг» генерал-фельдмаршал фон Манштейн, опасаясь разгрома своих войск, предложил Гитлеру частично отвести войска из большой излучины Днепра и эвакуировать Никополь. Однако это предложение было отклонено.
Войска 3-й гвардейской танковой армии, продвигаясь с утра 28 декабря на житомирском направлении, стали встречать все более усиливавшееся сопротивление противника. К исходу дня 9-й механизированный корпус остановился в районе Студеницы, 6-й гвардейский танковый корпус достиг железной дороги Житомир – Фастов у Тарасовки, а введенный в сражение 7-й гвардейский танковый корпус перерезал шоссе Житомир – Попельня у Волосова. Перед армией, в дополнение к 8-й танковой дивизии противника, были выявлены части 1-й, 19-й танковых дивизий, дивизии СС «Лейбштандарт Адольф Гитлер» и 18-й артиллерийской дивизии. В тот же день части 11-го гвардейского танкового корпуса генерала А.Л. Гетмана и 8-го гвардейского механизированного корпуса генерала С.М. Кривошеина освободили Казатин.
С утра 29 декабря соединения 3-й гвардейской танковой армии, произведя перегруппировку, возобновили наступление. К исходу дня 30 декабря 7-й гвардейский танковый корпус, тесня противника, перерезал железную и шоссейную дороги Житомир – Бердичев. На следующий день соединения 60-й, 1-й гвардейской, 18-й, 3-й гвардейской танковой армий, 4-й и 5-й гвардейские танковые корпуса при поддержке 2-й воздушной армии освободили Житомир[559]
. 2 января 1944 г. 9-й механизированный корпус генерал-майора танковых войск К.А. Малыгина занял Агатовку и Осыково, где встретил сильное сопротивление противника и вынужден был остановиться. 6-й гвардейский танковый корпус, очистив Солотвин, занял Рею и вел бой в районе Гвоздавы. 7-й гвардейский танковый корпус продолжал бои за Троянов. В тот же день задача 3-й гвардейской танковой армии была уточнена: ей предстояло танковыми корпусами нанести удар в направлении Рудно-Городище, Глубочок, Княжин и тем самым содействовать 1-й гвардейской армии в разгроме танковой группы противника, а затем наступать в южном направлении[560].В 10 часов 3 января 6-й и 7-й гвардейские танковые корпуса совместно с войсками 1-й гвардейской армии перешли в наступление в западном направлении и вышли к р. Пяток. В это время соединения 13-й армии совместно с 25-м танковым корпусом генерал-майора танковых войск Ф.Г. Аникушкина заняли Новоград-Волынский. На следующий день соединения 40-й армии освободили Белую Церковь, а 5 января войска 18-й, 38-й армий и 44-я гвардейская танковая бригада 11-го гвардейского танкового корпуса 1-й танковой армии вступили в Бердичев.
Противник с целью ликвидации прорыва перебросил в полосу 1-го Украинского фронта 16 дивизий и крупные силы авиации. 11–12 января немецкие войска нанесли контрудары в районах Жмеринки и Христиновки, а с 14 января и на других направлениях. По решению Ставки ВГК войска 1-го Украинского фронта 15 января перешли к обороне. Днем ранее части 3-й гвардейской танковой армии получили задачу выйти из боя и организовать оборону на рубеже Певна, Жеребки, Буряки.