德军在这一地区集中了中央集团军群的第2集团军、南方集团军群的第4装甲集团军、第8集团军、第1装甲集团军、第6集团军和第17集团军，共62个师，其中包括14个装甲师和摩托化师，共124万人、1.26万门火炮、2100辆坦克和自行火炮、2100架飞机。
苏军最高统帅部的会战企图是：彻底摧毁西南战略方向上的敌人，解放第聂伯河左岸乌克兰地区、顿巴斯、基辅，并在行进间强渡第聂伯河，夺占河西岸的战略登陆场，为尔后解放白俄罗斯和西岸的乌克兰创造条件。
1943年8月26日，在进行了45分钟的猛烈炮火和航空火力准备后，苏军中央方面军开始向德军防御阵地发起进攻。中央方面军在谢夫斯克、诺夫戈罗德-谢韦尔斯基方向投入了3个集团军的兵力。由于德军的顽抗，经过一天的激战，位于主突方向上的苏军第2坦克集团军和第65集团军进展缓慢，仅向前推进了3~8公里。次日，经过顽强战斗，苏军解放了谢夫斯克，但后因遇到德军激烈抵抗而前进受阻。在左翼辅助突击方向作战的第60集团军则进展顺利，很快就突破德军宽45公里、纵深40公里的防御正面，于8月29日解放了格卢霍夫，并继续向科诺托普推进，进入乌克兰北部地区。这样，该集团军就在德军中央集团军群和南方集团军群的接合部上打开了一个很大的缺口。
为了扩大战果，加快推进速度，中央方面军出敌预料，把主突方向上的基本兵力第13集团军、第2坦克集团军，以及最高统帅部调来的第61集团军集中到左翼，在科诺托普方向上发展进攻，取得重大胜利。至8月31日日终前，突破口的正面扩大到100公里，纵深达60公里。德军由于无力阻止苏军的进攻，被迫于9月1日撤至杰斯纳河和第聂伯河的对岸。苏军中央方面军发现敌军撤退，立即追击。方面军左翼在行进间强渡谢伊姆河，9月9日解放了重要铁路枢纽巴赫马奇，9月15日，又解放了通往基辅道路上的德军重要支撑点涅任，9月19日在切尔尼戈夫以南强渡杰斯纳河，9月21日解放了切尔尼戈夫市。次日，在基辅以北前出到第聂伯河。方面军右翼部队也强渡了杰斯纳河，并在9月16日解放了诺夫哥罗德市。
9月22日拂晓，为了出敌不意，方面军左翼第13集团军不等制式渡河器材运达，便开始在宽大正面上强渡第聂伯河。第一批强渡的是携带轻武器的步兵，接着是团属炮兵。师属炮兵在河东岸提供火力保障。至日终前，集团军夺占了一个正面宽25公里、纵深2至10公里的登陆场，前出到切尔诺贝利、高查雷至普里皮亚季河口地区。次日，登陆场正面扩大到35公里，纵深扩展到20公里。同一天，第13集团军左翼部队又在普里波亚季河右岸占领一个登陆场。德军调来若干个师，向苏军登陆部队实施多次反突击，均被苏军击退。与第13集团军几乎同时在基辅以北强渡第聂伯河的，还有方面军的第60集团军和近卫第7军机械化部队。当中央方面军左翼部队在哥美尔以南进行紧张的战斗时，方面军右翼和中路各兵团也分别向日洛宾和哥美尔展开了进攻。至9月底，中央方面军巩固了第聂伯河、普里皮亚特河和索日河上已夺占的登陆场，并继续扩大登陆场战斗。
沃罗涅日方面军原计划在8月27日转入进攻。由于中央方面军在基辅方向上的胜利进攻，对防守在沃罗涅日方面军和草原方面军正面的德军第8集团军和第4装甲集团军构成威胁，加之不久前沃罗涅日方面军在阿赫特尔卡地区击退了德军的反突击，德军为免遭合围，便于8月25日开始从阿赫特尔卡突出部撤退。战场形势的变化促使沃罗涅日方面军右翼部队提前于25日转入追击，于当天解放了阿赫特尔卡，并向前推进15至20公里。9月2日，右翼部队解放了苏梅，继而向罗姆内、朴里卢基和基辅进攻。方面军左翼部队与草原方面军配合，在哈尔科夫西南进行战斗。9月10日，方面军各部队突破了罗姆内东南的德军防线，3天后在宽大正面强渡了苏拉河。9月21日，加强给沃罗涅日方面军的近卫第3坦克集团军先遣支队，在布克林附近强渡第聂伯河，并夺取1个登陆场。22日，方面军突击集团第40、第27、第47集团军利用坦克集团军的战果也开始了强渡行动。
草原方面军的情况与前两个方面军不同，它在8月底以前在哈尔科夫以西和西南进行了多次战斗，在解放哈尔科夫以后，应向克拉斯诺格勒、上第聂伯罗夫斯克方向继续进攻，并前出到第聂伯河。但是，德军调来15个师，竭尽全力阻止苏军在该方向上的进攻。草原方面军在打退德军反突击后，直到9月初才向克拉斯诺格勒、上第聂伯罗夫斯克方向展开进攻。9月6日，苏军最高统帅部调整了该方面军的任务，令其向波尔塔瓦和克列缅丘格方向实施主要突击，阻止德军在该方向上建立稳固的防线。到9月20日，方面军在追击敌人过程中，前出到距第聂伯河70~120公里处。23日，解放了波尔塔瓦，6天后又解放了克列缅丘格。到9月底，草原方面军已全线推进到第聂伯河，肃清了东岸的德军，并准备强渡第聂伯河。
当苏军沃罗涅日方面军和草原方面军在阿赫特尔卡和哈尔科夫地域进行战斗时，西南方面军于8月13日从伊久姆地域向巴尔文科沃方向展开了进攻。但8月份进展不大，仅扩大了伊久姆地域北顿涅茨河右岸的登陆场。