Ngày 23 tháng 10 năm 1943, Tập đoàn quân số 46 và Tập đoàn quân cận vệ số 8 nổ súng tấn công, mở màn chiến dịch Dnipropetrovsk. Trong thời gian này quân Đức đang căng sức giữ vùng Krivoi Rog - vốn đang bị quân đội Liên Xô công kích trong chiến dịch Pyatikhatskaya (Днепропетровская операция), đòn đánh của Phương diện quân Ukraina 3 tại Dnipropetrovsk hoàn toàn là một sự bất ngờ. Cả hai Phương diện quân đã nhanh chóng đục thủng tuyến phòng ngự của quân Đức, nối liền hai đầu cầu vượt sông, giải phóng vùng công nghiệp Dnipropetrovsk và Dniprodzerzhynsk vào ngày 25 tháng 10. Sau khi hoàn tất giai đoạn đầu của chiến dịch, quân đội Liên Xô tiếp tục tấn công các cụm quân Krivoi Rog ở phía Tây Nam và Nikopol ở phía Nam. Trước tình hình nguy cấp, quân Đức vội vã điều 3 sư đoàn xe tăng, 1 sư đoàn bộ binh cơ giới hóa và 1 sư đoàn bộ binh tới chặn đòn tấn công của phía Liên Xô. Đòn phản kích của quân Đức đã tạm thời chặn được đà tiến công của quân đội Liên Xô sau một chuỗi những trận đánh đẫm máu.

Sau khi củng cố lại lực lượng, đến ngày 14 tháng 11 Phương diện quân Ukraina 3 lại tấn công, tuy nhiên họ đã không thành công trong việc tạo được một bước đột phá quyết định cho chiến dịch. Trong suốt hai tuần, quân đội Liên Xô chỉ tiến được 20 cây số, và một tháng sau đó cả hai bên đều không thể đánh bại đối phương dù đã liên tục tấn công và phản công. Đến ngày 23 tháng 12 chiến dịch Dnipropetrovsk kết thúc.