Важнейшее стратегическое и психологическое значение Киевской наступательной операции прекрасно осознавалось по обе стороны фронта. Освобождение города открывало советским войскам дорогу в Западную Украину и дальше, к Карпатам, а потому немецкая армия готовилась ожесточённо защищать свои позиции.

Советское командование планировало наступать на Киев по двум направлениям: основные силы сосредоточить на Букринском плацдарме на севере, а поддержку осуществлять через Лютежский плацдарм на юге. Вскоре планы пришлось изменить: при разработке операции не был учтён сложный характер местности, что серьёзно замедляло продвижение частей на северном участке фронта. Тем не менее войскам на Лютежском плацдарме удалось заметно укрепить свои позиции. Это заставило Ставку пересмотреть стратегию и после перегруппировки войск перенести направление главного удара на юг, куда были втайне переброшены 3-я гвардейская танковая армия и артиллерия резерва Главнокомандования.

1 ноября с Букринского плацдарма перешли в наступление войска 40-й и 27-й армий, главной задачей которых было сковать силы противника и отвлечь внимание от основного направления удара. Боевые действия приходилось вести в самых неподходящих погодных условиях, что, однако, не помешало советским войскам с успехом выполнить задачу. Главная группировка начала наступление утром 3 ноября и, несмотря на несколько немецких контратак, сумела к концу дня продвинуться на 5–12 км. Развивая наступление, уже 6 ноября советские войска освободили Киев, а затем вошли в Житомир и Фастов.

Несмотря на тяжёлые потери, наступательная операция завершилась полным успехом: была не только на голову разбита киевская группировка войск противника, но и создан надёжный плацдарм, с которого в скором времени началось освобождение Правобережной Украины.