Ngày 26 tháng 8, cả ba phương diện quân Liên Xô đều đồng loạt mở các cuộc tấn công. Tuy nhiên, trong những ngày đầu tiên, cường độ tấn công của họ không đều nhau. Theo kế hoạch, Phương diện quân Trung tâm hành động quyết liệt hơn cả để kéo bớt lực lượng Đức lên phía Bắc, tạo điều kiện cho hai phương diện quân bạn tấn công thuận lợi trên các hướng phía Nam. Trong khi đó, các phương diện quân Tây Nam và Nam phát động tổng tấn công muộn hơn từ vài ngày đến nửa tháng vì cần tiến hành trước một số chiến dịch đệm để tạo thế.

Hướng Chernigov - Prypyat

6 giờ sáng ngày 26 tháng 8, sau trận pháo kích mở màn của Sư đoàn pháo binh 86 và các cuộc oanh tạc của Tập đoàn quân không quân 16 kéo dài gần 1 giờ, Tập đoàn quân 65 mở mũi đột kích đầu tiên vào Quân đoàn bộ binh 13 (Đức) tại Sevsk và Mikhailovsky. Các mũi đột kích nhằm vào điểm tiếp giáp giữa các sư đoàn 45 và 183, 251 và 208 (Đức). Hai thị trấn này bị đánh chiếm ngay trong buổi sáng, cửa đột phá được mở rộng 12 km, sâu 2 km. Phát hiện tình huống thuận lợi, ngay trong buổi chiều, tướng K. K. Rokossovsky đã tung Tập đoàn quân xe tăng 2 từ tuyến sau vào cửa đột phá và phát triển tấn công. Cuối buổi chiều, Sư đoàn bộ binh 102 (Đức) tổ chức phản kích vào sườn phải cách quân xung kích Liên Xô tại Sevsk nhưng đều bị Quân đoàn xe tăng cận vệ 1 đẩy lùi. Tập đoàn quân không quân 6 (Đức) tổ chức oanh tạc quy mô vào Sevsk nhưng vẫn không chặn được Tập đoàn quân xe tăng 2. Đến cuối ngày, cửa đột phá đã được mở rộng lên đến 40 km, sâu 15 km.[8]

Ngày 27 tháng 8, Tập đoàn quân xe tăng 2 và Tập đoàn quân 65 (Liên Xô) vượt qua Sevsk, Mikhailovsky và tiến mạnh về tuyến Khutor - Shostka. Ngày 28 tháng 8, Tướng Dietrich von Saucken tung Quân đoàn xe tăng 46 và Quân đoàn bộ binh 20 mở 12 cuộc phản kích tại khu vực phía Đông Shostka nhưng tất cả đều bị Tập đoàn quân xe tăng 2 đẩy lùi. Tuy nhiên, tốc độ tấn công của quân đội Liên Xô cũng bị làm cho chậm lại. Ở phía Nam, Tập đoàn quân 60 bắt đầu mở cuộc tấn công vào Glukhov. Ngày 29 tháng 8, Tập đoàn quân không quân 6 (Đức) tung ra hơn 150 phi vụ ném bom và cường kích để ngăn chặn Tập đoàn quân xe tăng 2 (Liên Xô) nhưng lại để "lỏng" Quân đoàn xe tăng cận vệ 1. Lợi dụng địa hình thuận lợi, quân đoàn này và Quân đoàn bộ binh 95 đã bao vây cụm cứ điểm Novgorod-Seversky do năm sư đoàn của Quân đoàn bộ binh 7 (Đức) đóng giữ. Cùng ngày, Tập đoàn quân 60 giải phóng Glukhov và tiếp tục tiến về Konotop. Do tình hình bên cánh trái có nhiều tiến triển thuận lợi, tướng K. K. Rokossovsky quyết định rút Tập đoàn quân 13 từ cánh phải sang và điều nó đến giữa dải hoạt động của Tập đoàn quân 60 và Tập đoàn quân xe tăng 2.[9]

Ngày 31 tháng 8, Tập đoàn quân xe tăng 2 đã tiến thêm được 20 đến 25 km uy hiếp Shostka, cắt đứt con đường sắt từ Bryansk đi Konotop. Ở phía Nam, Tập đoàn quân 60 mở rộng chính diện xuống phía Tây Nam 60 km đánh chiếm Krolevets và Putyvl. Tập đoàn quân 13 được tung vào cửa đột phá đã chuyển đến phía Bắc thị xã Konotop do Quân đoàn bộ binh 7 (Đức) phòng thủ. Ở phía Bắc, ngày 3 tháng 9, Tập đoàn quân xe tăng 2 đã đánh chiếm Shostka, vọt tiến đến sông Seym. Bị Quân đoàn xe tăng 46 và Quân đoàn bộ binh 20 (Đức) chặn lại trên tuyến sông này, Tập đoàn quân xe tăng 2 phải mất 3 ngày mới vượt sông thành công và tiếp tục hướng đòn tấn công đến tuyến sông Desna. Ở cánh trái của Tập đoàn quân xe tăng 2, ngày 7 tháng 9, Tập đoàn quân 60 đã đánh chiếm Konotop, một đầu mối giao thông quan trọng ở ngã ba các tuyến đường sắt Kiev - Bryansk và Kiev - Kursk. Ngày hôm sau, Tập đoàn quân 60 tiếp tục tấn công dọc đường sắt Konotop - Kiev, đánh chiếm Bakhmach và phát triển cánh trái theo đường sắt Bakhmach - Pryluky. Ngày 6 tháng 9, theo chỉ lệnh của Bộ Tổng tư lệnh tối cao Liên Xô, Phương diện quân Trung tâm chỉ còn phải phụ trách địa bàn tả ngạn sông Dniepr từ phía Bắc Kiev đến Gomel. Địa bàn phía Nam Kiev và cả mục tiêu Kiev được giao cho Phương diện quân Voronezh.[1]

Günther von Kluge ra lệnh cho tướng Dietrich von Saucken phải chống giữ bằng được phòng tuyến sông Desna. Tập đoàn quân 2 (Đức) đã điều đến chính diện bờ Tây sông Desna toàn bộ lực lượng dự bị mới nhất, bao gồm cả hai quân đoàn xe tăng 46 và 56 nhưng chỉ đủ sức chặn giữ được đà tấn công của Phương diện quân Trung tâm (Liên Xô) không quá 10 ngày. Do chính diện của Phương diện quân Bryansk được thu hẹp lại, ngày 13 tháng 9, Tập đoàn quân 61 được chuyển từ Phương diện quân Bryansk cho Phương diện quân Trung tâm. Tướng K. K. Rokossovsky triển khai tập đoàn quân này ở chỗ tiếp giáp giữa Tập đoàn quân 13 và Tập đoàn quân 65. Ngày 17 tháng 9, cả bảy tập đoàn quân của Phương diện quân Trung tâm đồng loạt vượt sông Desna tấn công sang bờ Tây. Ngày 18 tháng 9, Tập đoàn quân 13 chiếm Nizhyn. Ngày 19 tháng 9, Tập đoàn quân 65 chiếm Schors, Tập đoàn quân 48 chiếm Starodub và tiến ra bờ sông Snob. Ngày 21 tháng 9, Tập đoàn quân 13 và Tập đoàn quân 61 sử dụng các đòn đánh vu hồi từ phía Bắc và phía Nam đã đánh chiếm thành phố Chernigov, mục tiêu quan trọng của chiến dịch, loại khỏi vòng chiến đấu Sư đoàn xe tăng 5 và Sư đoàn bộ binh 7 của Quân đoàn xe tăng 46 (Đức).[7]

Tiếp tục phát triển tấn công, ngày 22 tháng 9, Tập đoàn quân 13 vọt tiến đến tả ngạn sông Dniepr. Ngày 23 tháng 9, tướng N. P. Pukhov đưa trung đoàn bộ binh 76 tấn công vượt sông, chiếm giữ khu vực đầu cầu Novoshepelich - Chernobyl rộng 30 km, sâu 35 km tại chỗ hợp lưu giữa sông Pripyat và sông Dniepr. Từ ngày 22 đến ngày 30 tháng 9, Tập đoàn quân 48 tiến đến tuyến sông Sozh, cách Gomel chỉ 15 km về phía Đông, Tập đoàn quân 65 đánh chiếm thị trấn Loev (Loyew), Tập đoàn quân 61 chiếm thị trấn Lyubech. Toàn bộ dải bờ tả ngạn sông Dniepr từ phía Loev đến cửa sông Tetrrev đã nằm trong tay Phương diện quân Trung tâm.[1]

Hướng Sumy - Pryluky

Sáng 26 tháng 8, sau một đợt pháo kích ngắn, Tập đoàn quân cận vệ 4 mở cuộc tấn công vào thị trấn Kotelva nhưng tốc độ tấn công quá chậm, đến cuối buổi chiều, các sư đoàn đi trước của tập đoàn quân mới chỉ chiếm được mấy thôn nhỏ phía đông thị trấn. Ngày 2 tháng 9, bằng một cuộc đột kích bất ngờ, ba trung đoàn cơ giới của Tập đoàn quân 38 đã đánh chiếm Sumy và cả tập đoàn quân bắt đầu triển khai tấn công dọc theo sông Sula. Tướng N. F. Vatutin đưa Tập đoàn quân xe tăng 3 vào phát triển tấn công trong dải của tập đoàn quân 38, đến cuối ngày, đã tiến thêm được 15 km về hướng Romny.[10] Ngày 6 tháng 9, Bộ Rổng tư lệnh tối cao quân đội Liên Xô quy định lại các hướng tấn công chính, Phương diện quân Voronezh được giao mục tiêu Kiev. Để thực hiện việc này, tướng N. F. Vatutin giao cho Tập đoàn quân 38 dải tấn công từ chính diện Romny qua Pryluky đến Darnytsia, chếch lên phía Bắc. Tập đoàn quân xe tăng 3, Tập đoàn quân 40 và Tập đoàn quân 27 phát triển từ Lokhvytsa - Sencha - Mirgorod qua Berezan, Pyriatyn, Pereyaslav (Pereyaslavske), Grebenka, Lubny, Orzhitsya đến bờ Đông sông Dniepr. Ngày 15 tháng 9, Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 3 đã chiếm Romny. Quân đoàn kỵ binh cận vệ 1 thừa thắng phát triển tấn công Priluki.[9]

Tốc độ tấn công chậm lại đã làm cho cánh phải của Phương diện quân Voronezh tụt sau, cách cánh trái của Phương diện quân Trung tâm đến hơn 70 km, đặc biệt là ở phía trước Kiev. Để nhanh chóng nối liền hai phương diện quân, các sư đoàn bộ binh phải di chuyển từ 25 đến 30 km trong một ngày, nhiều đơn vị hậu cần đã bị rớt lại sau. Ngày 20 tháng 9, Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 3 đánh chiếm Piryatin, Grebenka và phát triển tấn công theo hướng Pereyaslav. Ngày 21 tháng 9, Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 3 đánh chiếm Pereyaslav, Berezan và tiến ra sông Dniepr. Ngày 22 tháng 9, Tập đoàn quân 40 tiến đến khúc cong của sông Dniepr tại Pereyaslav-Khmelnitsky, Lữ đoàn mô tô trinh sát của Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 3 và Sư đoàn bộ binh 241 đã vượt sông đánh chiếm các đầu cầu tại khu vực Rzhyschev-Bukryn (Veliki Bukryn). Đêm 24 tháng 9, Chiến dịch đổ bộ đường không Rzhishchev-Bukrin của Phương diện quân Voronezh đã mở màn. Tuy nhiên, do tổ chức cẩu thả và sai lầm của các phi công, chiến dịch đã gặp thất lợi ngay từ đợt đổ quân thứ hai. 4.575 quân dù bị rải phân tán trên một diện tích rộng 25 km, dài 70 km. Một số đơn vị đổ bộ đường không Liên Xô đổ quân xuống đúng các đoàn xe cơ giới Đức đang hành quân và nhanh chóng bị bao vây, tiêu diệt. Chỉ có khoảng 1.200 quân dù còn sống sót tổ chức hoạt động trong các khu rừng dọc bờ Tây sông Dniepr cho đến khi đón gặp các tập đoàn quân Liên Xô vượt sông vào cuối tháng 11, đầu tháng 12 năm 1943.[11]

Ngày 26 tháng 9, Tập đoàn quân 38 vượt sông ở phía Bắc Kiev và đánh chiếm đầu cầu Lyutizh. Ngày 27 tháng 9, Tập đoàn quân 38 đã tổ chức phòng ngự, chặn đánh và đẩy lui 18 đợt công kích của quân đội Đức Quốc xã. Đến ngày 29 tháng 9, Tập đoàn quân 38 không những đã giữ được đầu cầu Lyutizh mà còn mở rộng nó lên 15 km chính diện và chiều sâu được nới ra từ 5 đến 8 km và nối liền với một bàn đạp nhỏ khác ở khu vực Svaromya (???) do Tập đoàn quân 60 mở ra ở phía Bắc Lyutezh. Khu vực này về sau đã trở thành căn cứ bàn đạp chính trong chiến dịch tấn công giải phóng Kiev của quân đội Liên Xô.[7]

Hướng Poltava - Kremenchuk

Khởi trận từ ngày 27 tháng 8 nhưng trong suốt một tuần, các tập đoàn quân của Phương diện quân Thảo nguyên vẫn chưa thế đột phá được các lớp phòng thủ vững chắc của các Quân đoàn bộ binh 11, 42 và Quân đoàn xe tăng 3 (Đức) trên tuyến Merefa, Mzha (Mzharka), Orel (Orelka), Vorskla (???). Chỉ đến ngày 4 tháng 9, khi Tập đoàn quân cận vệ 7 dồn toàn bộ binh lực đánh chiếm trung tâm phòng ngự Merefa, Tập đoàn quân cận vệ 6 và Tập đoàn quân 27 chọc thủng tuyến phòng ngự của Quân đoàn xe tăng 24, quân Đức mới chịu bỏ các cứ điểm còn lại và lui về hướng Poltava.[12]

Sức chống cự của 2 quân đoàn xe tăng 3 và 2 quân đoàn bộ binh Đức trước khu vực Poltava đã làm chậm đáng kể tốc độ tấn công của Phương diện quân Thảo Nguyên. Một nguyên nhân khác cũng làm cho tốc độ tấn công bị chậm lại là chính diện tấn công của phương diện quân lúc đầu chiến dịch quá hẹp. Do kết quả của Chiến dịch Nguyên soái Rumyantsev, trên địa đoạn không đầy 100 km từ Olshany đến Chuguev phía Tây Nam Kharkov đã tập trung đến 5 tập đoàn quân bộ binh và 1 tập đoàn quân xe tăng (Liên Xô). Phía quân đội Đức Quốc xã cũng có 2 quân đoàn xe tăng và 1 quân đoàn bộ binh tập trung tại đây. Với chính diện hẹp như vậy, mật độ binh lực và phương tiện của cả hai bên đều rất cao; các trận đánh vỗ mặt diễn ra rất ác liệt và đẫm máu. Chỉ đến ngày 5 tháng 9, Bộ Tổng tham mưu Xô Viết mới phát hiện ra điều này và đề nghị Tổng tư lệnh tối cao I. V. Stalin ra chỉ lệnh điều chỉnh tuyến phân giới giữa các phương diện quân Trung tâm, Voronezh, Thảo Nguyên và Tây Nam.[2]

Việc điều chỉnh hướng tấn công chính đến Poltava - Kremenchuk ngày 6 tháng 9 của Bộ Tổng tư lệnh tối cao đã làm cho Phương diện quân Thảo nguyên phải mở rộng chính diện tấn công kèm theo sự tăng cường binh lực. Ngày 6 tháng 9, Tập đoàn quân cận vệ 5 được Vatutin "hoàn trả" cho Koniev. Phương diện quân Tây Nam cũng chuyển giao Tập đoàn quân 46 cho Phương diện quân Thảo Nguyên.[13] Do được mở rộng chính diện, tướng I. S. Koniev có thể triển khai các đòn đánh vu hồi từ hai bên sườn Tập đoàn quân 8 (Đức) thay vì các đòn đánh vỗ mặt trước đó. Tốc độ tấn công của quân đội Liên Xô bắt đầu được đẩy lên.[14]

Ngày 7 tháng 9, các tập đoàn quân của Phương diện quân Thảo Nguyên đã tiến lên được 4 đến 7 km về phía Tây và Tây Nam Kharkov, đánh chiếm Pavlovka, Tarasovka, Vlasovka, Shylovka, Ogultsy, Cheremushna, Odrynka, Rakitnoye, Malyi Likhovka (???), Bakhmetyvka và ga đường sắt Borky. Sau đó một tuần, Kharkov đã ở phía sau Phương diện quân Thảo Nguyên từ 15 đến 30 km. Các tập đoàn quân của phương diện quân này đã tiến đến tuyến Novo Vodolaga, Staryi Vodolaga (???), Knyazhnoye, Okhoche, Melikhovka, Paraskovaya, Berezovka và Efremovka. Ngày 20 tháng 9, các tập đoàn quân cận vệ 5 và 53 bao vây Poltava từ ba phía. Tập đoàn quân cận vệ 7 vượt sông Psyol tiến ra Dniepr theo hướng Kremenchuk, Các tập đoàn quân 69 và 57 vòng qua Poltava từ phía Nam, vượt sông Orel và tiến về Dniepropetrovsk, đánh chiếm Novomoskovsk. Từ ngày 20 đến ngày 22 tháng 9, trong khi các tập đoàn quân cận vệ 5 và 53 công phá các cụm cứ điểm vững chắc ở Poltava do Quân đoàn xe tăng 24 (Đức) trấn giữ thì các tập đoàn quân cận vệ 7, 69 và 57 đã tiến đến bờ sông Dniepr nhờ các hành lang tự nhiên tấn công thuận lợi dọc các triền sông Psyol, Vorskla và Orel. Sáng 23 tháng 9, tướng Walther Nehring được thống chế Erich von Manstein cho phép rút khỏi Poltava. Chiều 23 tháng 9, Tập đoàn quân cận vệ 5 (Liên Xô) hoàn toàn làm chủ thành phố này.[12]

Đến ngày 30 tháng 9, 5 tập đoàn quân bộ binh của Phương diện quân Thảo nguyên đã đến bờ tả ngạn sông Dniepr từ Kremenchuk đến Dniepropetrovsk, đánh chiếm một số đầu cầu nhỏ trên bờ tây Dniepr tại các địa điểm Domotkan, Verkhnedneprovsk và Perevolochnaya (???). Chiều 30 tháng 9, Quân đội Đức Quốc xã phải bỏ đầu cầu tại Kremenchuk rút sang bờ Tây sông Dniepr. Tướng I. S. Koniev điều Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 5 đến khu vực cửa sông Orel đổ ra sông Dniepr để chuẩn bị vượt sông.[15]