Вслед за последним огневым налётом общевойсковые соединения, поддержанные танками, приступили к прорыву обороны противника, а артиллерия перенесла огонь в глубину и на фланги участка прорыва, обеспечивая наступление пехоты и танков. К исходу дня войска 60-й и 38-й армий вклинились в оборону противника на глубину до 4 км и передовыми частями вышли на рубеж Сычевка, Каменка, Вышгород. Дальнейшее продвижение общевойсковых соединений задерживалось упорным сопротивлением противника. К этому же времени авиаразведкой был установлен подход резервов противника с других участков фронта и в том числе 20-й моторизованной дивизии, ранее находившейся против букринского плацдарма. Это свидетельствовало о том, что немецкое командование стремилось не допустить продвижения войск 1-го Украинского фронта западнее Киева.
В создавшейся обстановке командующий фронтом приказал командующему 38-й армией с утра 4 ноября ввести в бой дивизии второго эшелона, а командующему 3-й гвардейской танковой армией придать 50-му стрелковому корпусу две танковые бригады (52-ю и 53-ю гвардейские) из 6-го гвардейского танкового корпуса. Этим бригадам была поставлена задача: совместно с пехотой завершить прорыв тактической зоны обороны противника. Главным силам 3-й гвардейской танковой армии было приказано к утру 4 ноября выйти в район севернее дачи Пуща Водица, в готовности по завершению прорыва тактической зоны обороны противника обогнать боевые порядки пехоты и приступить к выполнению ранее поставленной задачи.
Кроме того, 1-й гвардейский кавкорпус был выведен из оперативного подчинения командующего 3-й гвардейской танковой армией и получил задачу наступать вдоль шоссе Киев — Житомир, а не позднее исхода 5 ноября овладеть районом Макаров, Юров с тем, чтобы не допустить подхода с запада резервов противника.
В связи с этим приказом командующий 3-й гвардейской танковой армией внёс некоторые изменения в своё первоначальное решение о порядке ввода армии в прорыв. По изменённому решению 9-й мехкорпус, ранее намечавшийся к вводу в прорыв во втором эшелоне армии, должен был войти в прорыв на правом фланге первого эшелона армии, в полосе наступления 23-го стрелкового корпуса, с задачей к исходу 4 ноября овладеть районом хутор Шевченко, Корытище. 6-й гвардейский танковый корпус, передав 52-ю и 53-ю гвардейские танковые бригады в подчинение командира 50-го стрелкового корпуса, должен был войти в прорыв на левом фланге армии с задачей к исходу 4 ноября выйти в район Заборье. 7-й гвардейский танковый корпус должен был следовать во втором эшелоне армии вслед за 6-м гвардейским танковым корпусом и к исходу 4 ноября выйти в район Глеваха.
Осуществив необходимые перегруппировки, 38-я и 60-я армии с утра 4 ноября возобновили наступление, но противник ввёл в бой все имевшиеся в районе Киева резервы и массированными контрударами не допускал продвижения наших войск. В связи с тем, что общевойсковые армии не смогли продвинуться, командующий фронтом приказал командующему 3-й гвардейской танковой армией обогнать боевые порядки пехоты, завершить прорыв тактической зоны обороны противника во взаимодействии с общевойсковыми соединениями, а затем развивать наступление на Васильков, Фастов.
Приступив к выполнению этого приказа, корпуса 3-й гвардейской танковой армии к 15 часам 4 ноября обогнали пехоту и к исходу дня прорвали оборону противника на глубину до 8 км. В течение последующей ночи и всего третьего дня операции войска 3-й гвардейской танковой армии продолжали вести бои в тактической зоне обороны противника.
Следует заметить, что в боях за Киев хорошо показали себя 48 тяжёлых танков «Черчилль», Мк-Ill и Mk-IV.
В ночном бою с 4 на 5 ноября 1943 г. танки шли в атаку с зажжёнными фарами, с воющими сиренами, ведя интенсивный огонь с ходу, что оказало на противника огромное моральное воздействие. Завершив во взаимодействии с 38-й армией прорыв обороны противника, войска 3-й гвардейской танковой армии к исходу 5 ноября вышли в районы: 9-й мехкорпус — хутор Шевченко, 6-й и 7-й гвардейские танковые корпуса — Святошино. Тем временем 1-й гвардейский кавкорпус переправился через реку Ирпень и продолжал наступление к району Макаров, Юров.
Таким образом, только к исходу третьего дня тактическая зона обороны противника была прорвана совместными усилиями 38-й и 3-й гвардейской танковой армий. При этом танковая армия своими силами выполнила две важнейшие задачи: она завершила прорыв тактической зоны обороны и, перерезав шоссе Киев — Житомир, охватила с северо-запада левый фланг киевской группировки противника, вынудив германское командование в ночь на 6 ноября начать отвод своих войск из Киева в юго-западном направлении.