Остаточно схилили терези військового успіху на користь захисників уряду УНР Січові стрільці, які вдарили на подільських червоногвардійців із боку духовної семінари. Очевидець так описав наступ січовиків: «З Вознесенського спуску наступали Січові стрільці, і йшли вони сміливо, відважно, не ховаючись за стовпи і не стріляючи з-за трупів. Червоногвардійці підняли крик і, штовхаючи друг друга прикладами рушниць, стали втікати в бік Андріївського спуску і Михайлівського монастиря». Довершили успіх полк ім. К. Гордієнка та курінь полку ім. П. Полуботка, які днем раніше прибули до Києва. Атакувавши червоногвардійців із боку Хрещатика, українські вояки швидко примусили супротивника перейти до оборони. 1 лютого бої в центральних кварталах міста не вщухали, але червоні зазнали поразки й розпочали відступ на Поділ.
31 січня до повсталих приєдналася частина робітників залізничних майстерень Києва. За допомогою захопленого бронепоїзда червоногвардійці зайняли вокзал, розбивши полк ім. М. Грушевського. Однак їм не вдалося нейтралізувати розташовану в районі товарної станції українську артилерію, яка здійснювала обстріл «Арсеналу». Поразки зазнали й прихильники радянської влади в іншому районі міста — на Шулявці. Під натиском українських вояків частина шулявських червоногвардійців відступила в розташування повсталих залізничників, а інші розійшлися по домівках.
Запеклість збройної боротьби на вулицях Києва свідчила про непримиренність сторін. «Враження від початку боїв було сумним, — писав згодом очевидець. — Видно було, що забувалися всі кодекси війни, що не просто люди знищували один одного в громадянській боротьбі. Ніщо не нагадувало звичайно поля бою і ворогуючих військ, довкола були лише будинки і засліплені помстою люди...»
Увечері 1 лютого до Києва прибули з лівобережного фронту військові частини під командуваннм С. Петлюри. Наступного дня підрозділи Гайдамацького коша Слобідської України з боєм заволоділи укріпленими позиціями довкола «Арсеналу». На цей час серед загиблих був і О. Горвіц, який до останку переконував арсенальців протриматися до підходу підмоги з Харкова. Пересвідчившись у марності подальшої боротьби, частина червоногвардійців залишила «Арсенал» і пробралася через підземні ходи до Дніпра. На заводі лишилося близько 150—200 робітників, які вирішили захищатися до останнього. На світанку 3 лютого гайдамаки зламали опір супротивника й здобули «Арсенал». Кількасот полонених ледь не поплатилося життям за участь у повстанні проти українського уряду. «Полонені зібрані попід мурами казарм понтонерів. Озлоблені гайдамаки наводять кулемети на полонених. Ще одна хвилина — і дві тисячі більшовиків, серед котрих більша частина москалів, полягла би смертю, — згадував начальник штабу Гайдамацького коша О. Удовиченко. — Але С. Петлюра, а разом і ми, командири, з великим труднощами заспокоюємо гайдамаків, і кулемети відвозяться на бік. Нашим ворогам залишено життя».
З лютого курінь Січових стрільців остаточно очистив Поділ від червоногвардійців, а вранці 4 лютого гайдамаки здобули залізничні майстерні. У цих боях українські вояки зазнали важких втрат. Однак більшість повсталих припинила опір, втративши надію на перемогу. Начальник міського штабу Червоної гвардії О. Сивцов свідчив: «Коли стало ясно, що прибулі з фронту свіжі загони під командою Петлюри створили величезну перевагу військам Центральної Ради, які захопили вже „Арсенал“, революційний комітет більшовиків постановив припинити повстання». Лише на Деміївці червоногвардійці не склали зброї, продовживши вести бої в районі товарної станції.
Саме в цей час до Києва наблизилися загони Раднаркому. Увечері 3 лютого червоні після невеличкої перестрілки зайняли станцію Дарниця. Тут з’єдналися загони Р. Берзіна й П. Єгорова, що наступали з чернігівського та полтавскього напрямків. Ці сили, які М. Муравйов переформував у дві революційні армії, налічували 8 500 бійців при 48 гарматах. 4 лютого артилерія більшовиків розпочала обстріл Києва. М. Муравйов обіцяв військам, що за здобуття української столиці кожен боєць одержить 100 рублів, одяг, взуття тощо. Радянський командувач так пояснив згодом свою позицію: «Я був переконаний, що це підбадьорить війська, і не помилився. Така вже людська натура. Третій Інтернаціонал — чудова річ, і вони немало пролили крові за нього, але грошенята отримували на руки, та їм Бог вибачить, адже вони революційні немовлята і дивляться на речі прямо, як вони є, а ось інша справа, коли, прикриваючись революційною фразеологією, деякі з них, які пишалися своєю революційністю, також потребували грошового заохочення».
Деякі червоні командири розуміли складність штурму Києва й пропонували відкласти наступальну операцію, аби дати загонам можливість відпочити й отримати поповнення. Але М. Муравйов уже 5 лютого віддав наказ про наступ на Київ. 1-ша Революційна армія під командуванням П. Єгорова мала переправитися через залізничний міст на правий берег Дніпра, зайняти лінію залізниці з усіма станціями й атакувати місто з південного напрямку, відрізаючи таким чином військам Центральної Ради шлях відступу на Фастів. 2-й Революційній армії під проводом Р. Берзіна належало за будь-яку ціну перейти через Ланцюговий міст й атакувати Київ зі сходу.
Увесь день 5 лютого артилерія червоних вела вогонь по Києву з-за Дніпра. Член Народного Секретаріату Г. Лапчинський згадував: «Метою такої тактики було остаточно здеморалізувати ворога та примусити його до евакуації, а також тероризувати буржуазну частину людності, таку численну та контрреволюційну, якою вона завжди була в Києві. Тому нашим гарматникам наказано було цілити переважно в центральні райони по державних установах та по церквах». Марно міська дума закликала радянське командування не нищити міста та його мешканців. Масований обстріл Києва не припинявся, хоча, за свідченням Г. Лапчинського, «ворог зі свого боку відповідав надзвичайно мляво і за весь час я пам’ятаю лише дуже мало випадків, щоб ворожі набої розривалися над місцевістю, де стояло наше військо».
Але загони Вільного козацтва й підрозділи Гордієнківського полку відбили перші спроби червоних переправитися через Дніпро. М. Муравйов так згодом схарактеризував дії оборонців Києва: «Противник добре облаштувався на пагорбах, вкритих ущелинами та скелями і з-за кожного каменя стріляв з кулемета. Зі стін Печерської Лаври і дзвіниць інших церков, розташованих на самому березі річки, противник вів прямо прицільний вогонь по наших військах і завдавав досить чутливих втрат...» Сформовані з фронтовиків загони 2-ї Революційної армії нерідко відмовлялися йти в наступ під ворожим вогнем. Лише групі донецьких червоногвардійців зі складу 1-ї Революційної армії вдалося дістатися на правий берег Дніпра й зайняти Печерську Лавру. До вечора 6 лютого червоні закріпилися на печерських висотах, заволоділи прилеглими до Лаври вулицями й розгорнули наступ на товарову станцію.
Українське командування розраховувало силами Січових стрільців ліквідувати ворожий прорив і відкинути ворога до залізничного мосту. Але несподівано виявилося, що січовики вирушили до Святошина за наказом новопризначеного військового міністра УНР І. Немоловського. Останній віддав розпорядження військам без погодження з М. Ковенком чи штабом Київського військового округу. Тож на оборону товарної станції довелося відправити сформований із російських офіцерів загін К. Прісовського.
2-га Революційна армія за кілька днів так і не змогла здобути Ланцюговий міст і дістатися на правий берег Дніпра. 7 лютого М. Муравйов був змушений особисто повести своїх бійців в атаку на цьому напрямку. Радянський командувач згадував: «Товариш Берзін, його штаб, Феєрабенд, Белицький, Яковлєв, Ремньов, заявили, що підуть зі мною разом попереду військ, я сказав: соромтесь, 1-ша армія вже зайняла майже все місто, не поступимося їй славою! На чолі з 12-м Туркестанським полком ми кинулися мостом під акомпанемент канонади нашої артилерії й свист ворожих снарядів і таким чином заволоділи берегом; я наказав 2-й армії нестримно атакувати місто, захопити увесь берег Дніпра». Водночас П. Єгоров отримав категоричні вказівки зайняти товарну станцію й заволодіти «Арсеналом». Червоним удалося виконати наказ лише надвечір після запеклого бою, при цьому ще й захопивши український бронепоїзд. Після цього частини 1-ї Революційної армії почали просуватися в центральні квартали міста. За свідченням одного з учасників наступу, «боротьбу ускладнювали незнання червоногвардійцями та їхніми командирами Києва й відсутність зв’язку з київським повстанським штабом».