На главном направлении — севернее Киева — боевые действия начались 3 ноября. Ночью накануне наступления отдельные танковые полки и бригады, а также часть сил 5-го гвардейского танкового корпуса, действовавшие в качестве танков непосредственной поддержки пехоты 38-й армии, вышли на исходные позиции. Саперные подразделения проделали проходы в минных полях. Самолеты 208-й ночной бомбардировочной авиационной дивизии всю ночь бомбили противника.
В 8 часов 40 минут утра после мощной артиллерийской подготовки наши войска атаковали противника. Оборона была прорвана в полосе наступления 38-й армии на направлениях действий 50-го и 51-го стрелковых корпусов генерал-майоров С. С. Мартиросяна и П. П. Авдеенко.
Весьма успешно действовали также 24-й и 30-й стрелковые корпуса генерал-майоров Н. И. Кирюхина и Г. С. Лазько из состава 60-й армии. Они развернули стремительное наступление в глубину. Большую помощь пехоте оказали танкисты 150-й отдельной танковой бригады полковника С. И. Угрюмова и 58-го отдельного танкового полка. В течение первого дня войска Москаленко и Черняховского прорвали главную полосу обороны врага и развернули бои за вторую.
Советское Верховное Главнокомандование пристально следило за ходом Киевской операции. 3 ноября на имя генерала армии Н. Ф. Ватутина была отправлена телеграмма за подписью Верховного Главнокомандующего И. В. Сталина и первого заместителя начальника Генерального штаба генерала армии А. И. Антонова, в которой говорилось о том, чтобы операцию, начатую на правом крыле фронта, не затягивать.
Ставка потребовала перерезать железную дорогу Киев — Коростень восточнее или западнее реки Ирпень, в зависимости от обстановки, и не позже 5–6 ноября овладеть Киевом.
В соответствии с этим Н. Ф. Ватутин уточнил задачи войск ударной группировки. Командующий фронтом решил с утра 4 ноября ввести в сражение дивизии второго эшелона общевойсковых армий, а 3-ю гвардейскую танковую готовить для ввода в прорыв и развития успеха в оперативной глубине.
Командующий фронтом непосредственно в адрес командиров корпусов 3-й гвардейской танковой армии и командира 5-го гвардейского танкового корпуса направил телеграмму, в которой давались следующие указания: «Успешное выполнение задачи зависит в первую очередь от стремительности, смелости и решительности ваших действий. Ваша задача — в самый кратчайший срок выполнить поставленные вам задачи, для чего, не боясь оторваться от пехоты, стремительно двигаться вперед, смело уничтожать отдельные очаги противника, навести панику среди войск противника. Стремительно преследовать их с тем, чтобы к утру 5.11.43 г. нам занять Киев. Командирам всех степеней быть со своими частями и лично вести их для выполнения задачи».
Наиболее ожесточенные бои в полосе 38-й армии развернулись на южной окраине Дачи Пуща Водица. Введя в бой части 7-й танковой дивизии, враг овладел районом Детского санатория. Попали в полуокружение 20-я гвардейская танковая бригада подполковника С. Ф. Шутова и один полк 136-й стрелковой дивизии, которой командовал полковник И. М. Пузиков. Несмотря на это, пехотинцы и танкисты отбили все контратаки немцев. Чтобы окончательно сломить сопротивление врага, генерал К. С. Москаленко ввел в бой все части 5-го гвардейского танкового корпуса генерал-лейтенанта А. Г. Кравченко.
В первой половине дня 4 ноября 3-я гвардейская танковая армия начала выдвижение в исходное положение для ввода в прорыв. Ей предстояло совместно с 38-й разгромить противостоящую группировку врага в тактической зоне его обороны, перерезать Житомирское шоссе, а в доследующем развивать наступление на Фастов и Васильков, с задачей охватить группировку врага в районе Киева с запада.
9-му механизированному корпусу приказывалось войти в прорыв за 23-м стрелковым корпусом, обогнать пехоту и к исходу 4 ноября овладеть районом хутор Шевченко (на восточном берегу реки Ирпень, южнее Житомирского шоссе), Плоденец, Корытищи. 6-й гвардейский танковый корпус должен был временно передать 50-му стрелковому корпусу две танковые бригады для действий в качестве танков непосредственной поддержки пехоты до рубежа ее обгона, после чего наступать всеми силами и к исходу дня выйти в район Заборье, Малютянка, Будаевка.
Второму эшелону и резервам армии были поставлены также активные задачи.
В середине дня 4 ноября после короткого огневого налета артиллерии и ударов авиации 5-го штурмового авиационного корпуса генерал-майора авиации Н. П. Каманина части танковой армии начали наступление. Вначале в бой вступили только 52-я и 53-я гвардейские танковые бригады 6-го гвардейского танкового корпуса, которые находились в боевых порядках стрелковых дивизий. Этим бригадам и остальным силам корпуса удалось выйти на южную опушку леса южнее Дача Пуща Водица, Детский санаторий.