В таких условиях сам собой напрашивался вывод о необходимости еще раз до начала нового русского наступления организованно отвести войска и занять наименее протяженную и хорошо подготовленную линию обороны. В первую очередь необходимо было вывести войска из Крыма, а также с выступавшей на восток дуги по Днепру южнее Киева. Только так можно было добиться некоторого сокращения фронта отдельных соединений и создать хотя бы минимум резервов. Но на это Гитлер не соглашался по уже частично указанным выше политическим и экономическим причинам. Хотя Гитлер по точным сводкам и донесениям постоянно был в курсе всех дел и знал, сколько людей и вооружения имелось в отдельных дивизиях, он переоценил их способность к сопротивлению, так же как и недооценил наступательные возможности русских. Кроме того, он считал, что такую широкую водную преграду, как Днепр, можно успешно оборонять и незначительными силами.
7 октября русские, захватив предварительно небольшой плацдарм на правом берегу Днепра в районе южнее Киева, ликвидировать который немцам не удалось, перешли в наступление. Основное усилие они сосредоточили вначале между Кременчугом и Днепропетровском, а также в районе Запорожья и Мелитополя. После тяжелых боев, в ходе которых немецкие войска и командование, сознавая решающее значение прочного удержания занимаемых рубежей для всей Восточной кампании, напрягали все свои силы и упорно отбивали натиск превосходящих сил русских, последним удалось 23 октября прорвать фронт 6-й армии в районе Мелитополя. Они отбросили армию за Днепр в его нижнем течении и отрезали Крым, блокировав Перекопский перешеек. Одновременно они высадились в восточной части Крыма на Керченском полуострове. Однако как под Перекопом, так и на Керченском полуострове продвижение русских войск было временно остановлено. Крымский полуостров продолжал оставаться в руках немцев.
На фронте 1-й танковой армии, проходившем на участке от Чигорина до Никополя, русские, потерпев неудачу при попытке ликвидировать немецкий плацдарм в районе Запорожья, форсировали Днепр между Днепропетровском и Кременчугом и на широком фронте прорвали оборону немецких войск по Днепру. Силами примерно до 100 дивизий, в числе которых было много танковых частей и соединений, они нанесли удар в западном направлении и вышли к Кривому Рогу. Группа армий «А», правое крыло которой еще удерживало оборону по Днепру в его нижнем течении, развернулась от Никополя фронтом на запад. Теперь линия фронта проходила через Кривой Рог и западнее Кировограда. Группа армий «Юг», отведя назад вслед за 1-й танковой армией войска правого крыла 8-й армии, первое время продолжала удерживать в полосе этой армии старые позиции. В результате этого здесь образовался новый выступ фронта, сильно вытянутый на восток.
Критическая обстановка сложилась также и на фронте 4-й танковой армии, действовавшей в составе группы армий «Юг». Эта армия в ходе кровопролитных боев, длившихся почти четыре недели, отбила все атаки противника, пытавшегося осуществить прорыв в районе Киева. Лишь на нескольких участках противнику удалось слегка потеснить ее войска. Но после этих боев армия оказалась обескровленной и неспособной продолжать сопротивление.
Когда 3 ноября русские силами до 50 дивизий перешли с захваченных ими на правом берегу Днепра плацдармов в решительное наступление, 4-я танковая армия не сумела оказать достаточное сопротивление ударной группировке русских. 6 ноября пал Киев. Фронт немецких войск был взломан, и русские танковые и моторизованные соединения, почти не встречая сопротивления, устремились на запад. 11 ноября передовые части наступающих русских войск подошли к Житомиру.
Одновременно русские перешли в наступление и на фронте 2-й армии, действовавшей на правом фланге группы армий «Центр». Нанеся удары южнее и севернее Гомеля, русские отбросили армию на северо-запад. В результате этого брешь, существовавшая между группами армий, еще больше увеличилась. Создалось отчаянное положение. Если бы теперь русские стали развивать достигнутый ими успех, то судьба групп армий «А» и «Юг», а вместе с тем и судьба всего Восточного фронта была бы окончательно решена. Положение можно было спасти только путем нанесения удара по левому флангу прорвавшихся русских войск. Собрав все силы, которые можно было снять с других участков фронта, заменив их временными, наскоро сформированными подразделениями из отпускников, а также сводными подразделениями тыловых служб и т. п. и перебросив сюда отдельные части с других театров военных действий, немцы сумели к 11 ноября создать в районе между Фастовом и Житомиром необходимую для выполнения этой задачи группировку. Эта ударная группировка перешла в контрнаступление против левого фланга прорвавшихся русских войск и остановила их продвижение на запад.