Удар пришелся на три немецкие дивизии — 88, 68 и 208-ю пехотные дивизии: части из Франконии, Гессена и Бранденбурга. Артиллерийская подготовка была настолько массированной, что на первых нескольких сотнях метров советские стрелковые соединения практически не встретили сопротивления. Лишь к середине дня немецкое противодействие окрепло. Тем не менее дивизиям генерала Москаленко удалось разорвать немецкий фронт на участке более девяти километров и вклиниться в оборонительную зону противника на расстояние от шести до девяти километров.
Генерал-полковник Гот бросил против прорвавшихся советских соединений свою гамбургскую 20-ю мотопехотную дивизию под командованием генерала Яуэра, а также части бранденбургской 8-й танковой дивизии. Тщетно. Остановить наступательный порыв шести стрелковых дивизий и одного танкового корпуса было невозможно.
Когда солдаты из Гамбурга прибыли на отведенный им рубеж, там уже шел рукопашный бой. Русские попали на место раньше них. Гренадерские полки оборонялись отчаянно и беспощадно. Они предпринимали контратаки, уклонялись от встречных ударов, снова шли в атаку. С ними сражались ударные группы тюрингской 7-й танковой дивизии. Им удалось даже отвоевать некоторую территорию.
В этот момент Ватутин начал второй этап своего наступления. Вечером 4 ноября он двинул в бой танковые бригады 3-й гвардейской танковой армии генерала Рыбалко. Они вошли в брешь, прорванную 38-й армией, обошли свою пехоту и продолжили движение.
Наступила ночь. И началось то, чего немцы, за это время перегруппировавшиеся к обороне, еще никогда не испытывали. На поле битвы стало светло как днем, и воздух наполнился адскими звуками: танки Рыбалко надвигались на немецкие позиции с зажженными фарами и включенными сиренами, безостановочно стреляя из пушек. На броне танков сидели пехотинцы двух стрелковых дивизий, 167 и 136-й. Таким паровым катком они глубоко въехали в немецкий фронт. Рыбалко рассчитывал, что слепящие фары вызовут панику. Он также помнил об эффекте «иерихонского средства», которое использовали немецкие «Штуки» против советских пехотинцев: сирены, завывающие при пикировании «Штук», неизменно приводили русскую пехоту в состояние, близкое к паническому. Рыбалко надеялся достичь сходного результата своей пронзительной, ослепляющей бронированной армадой. И он преуспел в этом на многих участках ослабленного фронта 13 и 7-го корпусов.
Более эффективным, естественно, был огонь многочисленных бригад Т-34. Несмотря на контратаки своей танковой группы, 7-я танковая дивизия генерала фон Мантойфеля не смогла помешать русским форсировать Ирпень в восьми километрах западнее Киева и двинуться по Житомирской дороге в направлении Фастова, важнейшего железнодорожного узла юго-западнее Киева. Успешно начатая контратака основной части 7-й танковой дивизии и полков 20-й мотопехотной дивизии была отбита ударами с обоих флангов. Бойцы из Тюрингии и Франконии были вынуждены отступить. 90-й гренадерский полк из Бергедорфа оттеснили в северный район города; 5 ноября после наступления темноты полк под командованием капитана Отто пробился из города, забрав с собой всех своих раненых.
88-я пехотная дивизия отступила в западный район Киева. Командир дивизии, генерал-майор Рот, старался восстановить порядок в своих частях, но был ранен в бою с передовыми частями русской пехоты.
На командном пункте 4-й танковой армии генерал-полковника Гота один взгляд на карту обстановки давал представление о намерениях русских. Танковая армия генерала Рыбалко нацеливалась в обход Киева на крупные стратегические и вспомогательные коммуникации группы армий Манштейна. 38-я армия генерала Москаленко, напротив, наступала прямо на украинскую столицу.
Мелкий дождь делал день над полем битвы у Киева прохладным и серым. Погода-то была серой, а вот стратегическое положение генерал-полковника Гота — черным. Опять, как все последние месяцы, у немцев не было достаточных резервов. Гитлер продолжал держать несколько свободных танковых дивизий в низовьях Днепра, потому что ни в коем случае не хотел потерять район Никополя с его месторождениями марганцевой руды. Фюрер также беспокоился о подходах к Крыму.
По этой причине тюрингско-гессенская 1-я танковая дивизия в конце октября была переброшена из Греции в Кировоградскую область. Эта пополненная и отдохнувшая дивизия должна была контратаковать в районе к северу от Кривого Рога, но до сих пор занималась сменой тропического обмундирования на необходимое зимнее. Другой крупный резерв, 17-ю армию, Гитлер держал в Крыму, потому что не хотел, чтобы этот выход на румынскую нефть попал в руки русских. Все попытки Манштейна получить какие-либо соединения 17-й армии для сражения за Днепр натыкались на категорический отказ фюрера. Он приводил политические и экономические соображения. «Эвакуация Крыма, — возражал Гитлер, — произведет неблагоприятное впечатление на соседних турок, румын и болгар». Все та же старая дилемма, которая постоянно заканчивалась конфликтами Манштейна с Гитлером: усилить северное крыло группы армий Манштейна, чтобы предупредить угрожающее ему стратегическое окружение, или отдать приоритет политическим интересам? Для решения обеих проблем сил не хватало. Гитлер осознавал дилемму. «Но, — выговаривал он Манштейну, — это риск, на который придется идти, и я готов взять ответственность на себя».