Радянський план битви був схожий на сталінградський: удар двох танкових угруповань, створення двох фронтів оточення ворога і знищення оточеного угруповання. Радянський наступ почався для 2-го Українського фронту 24 січня, для 1-го Українського фронту – 26 січня. Прорвавши оборону супротивника, ударні угруповання фронтів попрямували назустріч один одному. На 2-му Українському фронті 25 січня ввели в прорив 5-ту гвардійську танкову армію, що нестримно просувалася на Звенигородку. На 1-му Українському фронті 6-та танкова армія також вирвалася вперед, прагнучи з’єднатися з танкістами П. Ротмістрова. Розуміючи, чим загрожує глибокий прорив РСЧА, Манштейн кинув свої танкові частини в контратаки – з 27 січня фланги ударного угруповання 2-го Українського фронту атакували частини 3-ї, 11-ї і 14-ї танкових дивізій вермахту, намагаючись ліквідувати прорив і зав’язавши важкі бої під Оситняжкою і Пасторським. Підтягнувши резерви, радянські війська зуміли зупинити німців. «Зрізати» радянське ударне угруповання німцям не вдалося, багато в чому через стійкість радянської ПТО і танкових резервів. Поки піхотні армії зв’язали боєм німецький танковий резерв, армія П. Ротмістрова 28 січня зайняла Звенигородку. Тим часом піхота 2-го Українського фронту і 6-та танкова армія розпочали наступ з протилежного боку виступу. Тут повторилася приблизно та сама картина: проламавши порівняно слабку оборону німецьких піхотних дивізій, радянські частини зіткнулися з контратаками німецьких танкових резервів – 16-ї і 17-ї танкових дивізій вермахту. Військам 2-го Українського фронту вдалося впоратися з контратаками німців і того ж 28 січня вийти до Звенигородки, завершивши кільце оточення. До 3 лютого було створено суцільні зовнішній (танкові армії, посилені піхотою і гвардійською кавалерією) і внутрішній (піхота і кавалерія) фронти оточення. Німці спробували налагодити повітряний міст, водночас готуючись до деблокування своїх двох оточених корпусів. Проте всі спроби радянських військ розрізати оточене угруповання були невдалими – німці запекло билися, відкинувши 8 лютого пропозицію капітулювати. Уранці 4 лютого почався німецький наступ – його вели танки 1-ї, 16-ї, 17-ї танкових дивізій вермахту і важкого танкового полку «Беке». Деблокувальне угруповання не дійшло до оточених зовсім трохи, зупинившись на лінії річки Гнилий Тікич за кілька кілометрів від «мішка». Надлюдські зусилля радянської ПТО і танків та не менші зусилля німецьких танкістів істотно вплинули на результат битви.
Тим часом у «мішку» Штеммерманн стягував свої частини на південь, і територія оточення щодня надзвичайно стискалася. Після втрати аеродрому повітряний міст звівся до постачань вантажів на парашутах, але близько 50 тис. німців, скандинавів, валлонів уперто відмовлялися здаватися. Радянські танкові корпуси М. Ватутіна також мали проблеми з постачанням через бездоріжжя і постійний тиск з боку танків і мотопіхоти Брайта. «Мішок» став «кочуючим» – німецькі частини пробивалися на південний захід, назустріч очікуваній допомозі, вибивши з декількох сіл радянську піхоту, посилену танками. 15–16 лютого маленьке село Шендерівка кілька разів переходило з рук у руки. Останнім рубежем, зайнятим радянськими танками 5-ї гвардійської танкової армії, було село Лисянка і висота № 239, яку німці так і не взяли. І. Конєв, М. Ватутін і П. Ротмістров, розуміючи, що німці намагаються прорватися, перегрупували сили – вони думали, що взяли в кільце майже всю 8-му армію німців, і побоювалися масованих атак величезними силами зсередини «мішка», але було пізно. Штеммерманн 16 лютого отримав від Манштейна коротку телеграму: «Пароль – «Свобода», мета – Лисянка, 23.00», і три німецькі колони вночі, в люту завірюху, залишивши в Шендерівці більш ніж 1,5 тис. тяжкопоранених, майже навмання пішли на прорив повз радянську піхоту й танкові частини. Радянська 206-та стрілецька дивізія не витримала удару, і німці пробили коридор. Одним групам пощастило – як, наприклад, авангарду генерала Ліба, інші гинули від вогню кулеметів і гармат, під гусеницями, від гармат радянських танків (які безупинно атакували німецькі частини з увімкненими фарами) та від шабель козаків Донського гвардійського корпусу.