Тяжело проходила Киевская операция (12 октября — 23 декабря), проводимая Воронежским (1-м Украинским фронтом) под командованием генерала Н. Ф. Ватутина. Против него на киевском направлении действовала 4-я танковая армия (генерал Гот) из немецкой группы армий «Юг» (фельдмаршал Манштейн). Для взятия города были использованы два плацдарма, захваченные на правом берегу Днепра — Лютежский и Букринский (севернее и южнее Киева). Операция началась с ожесточенных боев за удержание и расширение данных плацдармов.

Первоначально наступление на Киев советское командование планировало вести из района Букрина. Однако пересеченный рельеф местности помешал наступлению войск, особенно 3-й гвардейской танковой армии генерала Рыбалко. Расширить плацдарм не удалось из-за упорного сопротивления немецких частей. Проведенная для увеличения плацдарма и борьбы с подходящими резервами немцев воздушно-десантная операция окончилась неудачей.

Тогда Ставка скрытно перебросила эту армию на Лютежский плацдарм, откуда было решено нанести главный удар. Чтобы скрыть этот маневр на Букринском плацдарме, были размещены макеты танков и орудий, настолько мастерски изготовленные, что немцы не смогли отличить подделки и наносили по ним удары артиллерии и авиации.

3 ноября советские войска начали наступление севернее Киева. Для быстрого преодоления немецкой обороны на узком участке ее прорыва в 6 км была создана невиданная концентрация артиллерии — в среднем по 380 стволов на 1 км фронта. В результате немецкая оборона на данном участке была сокрушена огнем. Для развития успеха на следующий день в прорыв была введена 3-я гвардейская танковая армия, части которой вечером того же дня перерезали шоссе Житомир — Киев. Чтобы ошеломить оборонявшихся, танки пошли в атаку с зажженными фарами и под вой сирен. Потеря транспортной артерии, через которую осуществлялась основная связь с тылом, вынудила немцев начать отход. 6 ноября Красная Армия освободила Киев. Немецкий фронт был прорван, и следом за Киевом советские соединения освободили к 13 ноября Житомир. Тем самым была создана угроза глубокого флангового охвата с севера всей немецкой группе армий «Юг» на Правобережной Украине.

Для спасения ситуации германское командование перебросило в район Житомира дополнительные силы из Западной Европы. В середине ноября немецкая группировка численностью в 15 дивизий (в том числе 9 танковых и две моторизованные) нанесла здесь мощный контрудар, пытаясь срезать киевский выступ и отбить Киев. Так началась Киевская оборонительная операция (13 ноября — 23 декабря). Число танковых и моторизованных дивизий в ней было почти таким же, как на южном участке Курской битвы. Но под Житомиром советские войска не имели столь развитой в инженерном отношении обороны. Правда, им несколько помогла наступившая в тот момент сильная осенняя распутица. Наиболее яростное противоборство разгорелось в районе Фастов — Брусилов, когда одновременно каждая из сторон бросала в атаку от 300 до 400 танков.

За 10 дней немцам удалось отбить Житомир и продвинуться вперед на 50–60 км. В случае победы они отбрасывали советские войска за Днепр и восстанавливали один из ключевых участков «Восточного вала». Этим во многом объясняется ожесточенность и интенсивность боев Киевской оборонительной операции, которую современники сравнивали по накалу с Курской битвой.

Несмотря на массированные удары танков, советские войска, пополненные резервами (в частности, тремя истребительными противотанковыми артбригадами), остановили германский натиск. В декабре немецкое наступление возобновилось (в районе Коростеня и Малина), но оно не принесло крупного успеха. К 23 декабря немцы перешли к обороне. Киев остался за советской стороной.

К концу 1943 года битва за Днепр завершилась. К тому времени «Восточный вал» на Украине был прорван почти на всем протяжении. Как в свое время польско-французский, так и теперь германский план расколоть восточное славянство по линии Днепра потерпел крах. Советские войска захватили два крупных стратегических плацдарма (от Киева до Припяти и от Черкасс до Запорожья) и десятки оперативно-тактических плацдармом. Немецкие войска не получили возможность отдохнуть и перегруппировать силы на «зимнем рубеже» под защитой крупной водной преграды.

Битва за Днепр стала редким в истории войн примером быстрого форсирования на широком фронте такой крупной водной преграды при ожесточенном сопротивлении значительных сил противника. По мнению немецкого генерала фон Бутлара, в ходе этого наступления «русская армия продемонстрировала свои высокие боевые качества и показала, что располагает не только значительными людскими ресурсами, но и прекрасной военной техникой». О значении, которое придавало советское руководство прорыву «Восточного вала», свидетельствует тот факт, что 2438 воинов получили за форсирование Днепра звание Героев Советского Союза (20 % от общего числа награжденных этим званием за войну).

Потери советских войск во время освобождения Левобережной Украины с Киевом, Донбасса, Северной Таврии, а также борьбы за плацдармы превысили 1,5 млн чел. (в том числе безвозвратные — 373 тыс. чел.), около 5 тыс. танков и САУ (без Киевской оборонительной операции), около 1,2 тыс. самолетов (без Киевской оборонительной операции).

Отразив натиск на Киев и получив подкрепления (18-ю и 1-ю танковую армии), войска 1-го Украинского фронта практически без оперативной паузы перешли 24 декабря в контрнаступление. Так началась Житомирско-Бердичевская операция (24 декабря 1943 г. — 14 января 1944 г.). С нее началось освобождение Правобережной Украины. Оно стало одной из крупнейших советских наступательных операций, получившей название Днепровско-Карпатская. Она проходила с 24 декабря 1943 г. по 17 апреля 1944 г. и включала в себя 10 самостоятельных фронтовых операций: Житомирско-Бердичевскую, Кировоградскую, Корсунь-Шевченковскую, Луцко-Ровенскую, Никопольско-Криворожскую, Проскурово-Черновицкую, Умано-Ботошанскую, Березнеговато-Снигиревскую, Одессую и Полесскую операции.

Днепровско-Карпатская операция велась на широком фронте в 1300–1400 км. В наступлении участвовали войска 1-го Украинского (генерал Н. Ф. Ватутин, затем маршал Г. К. Жуков), 2-го Украинского (генерал И. С. Конев), 3-го Украинского (генерал Р. Я. Малиновский) и 4-го Украинского (генерал Ф. И. Толбухин) фронтов. Им противостояли войска группы армий «Юг» (фельдмаршал Э. Манштейн) и «А» (фельдмаршал Э. Клейст). Соотношение сил к началу операции приведено в таблице.

31 декабря Красная Армия вновь освободила Житомир, а затем 8 января 1944 года вышла к Южному Бугу. Ее передовые танковые бригады (40-я и 1-я) ворвались на станцию Жмеринка и перерезали основную железнодорожную магистраль, по которой шел подвоз сил и средств немецким армиям на Правобережье. Тем самым войска 1-го Украинского фронта, глубина прорыва которых перевалила за 200 км, заняли грозное нависающее положение с севера по отношению к основным силам группы армий «Юг» на Правобережной Украине.

Стремясь не допустить дальнейшего прорыва в тыл группе армий «Юг», ее командующий Манштейн подтянул в район Умани и Винницы дополнительные силы. 11–12 января германские войска нанесли отсюда сильные контрудары, которые вновь отличались массированным применением танков. Так, 14 января в немецких атаках против войск 1-го Украинского фронта приняло участие свыше 500 танков. В целом на Правобережной Украине находилось до 70 % танковых дивизий вермахта, действовавших в тот момент на советско-германском фронте.