根據戰役企圖，規定以2個方麵軍實施一係列同時突擊，以便在寬大正麵上牽製敵人兵力，予以分割，並粉碎杜霍夫希納、亞爾采沃、多羅戈布日、葉利尼亞、斯帕斯傑緬斯克等地域法西斯德軍集團。西方麵軍以其中央軍隊實施主要突擊，方麵軍在粉碎當麵敵軍後，應向羅斯拉夫利進攻，向西南方向對在布良斯克方麵軍當麵行動的敵軍集團一翼實施突擊。西方麵軍右翼軍隊與加裏寧方麵軍左翼各集團軍協同，在完成當前任務後，應向斯摩棱斯克總方向發起進攻。如布良斯克方麵軍進攻順利，則將西方麵軍主力轉向斯摩棱斯克。
法西斯德軍統帥部認為扼守斯摩棱斯克以東的陣地有很大意義，在這一方向配置40多個師，並建立了堅固防禦。此處防禦是“東方壁壘”的中央部分，包括5～6道防禦地帶，縱深為100～130公裏。在加裏寧方麵軍和西方麵軍當麵防守的敵軍集團（坦克第3集團軍、第4集團軍、第9集團軍一部）有人員85萬餘人、火炮和迫擊炮近8800門、坦克和強擊火炮約500輛、作戰飛機近700架。
在斯摩棱斯克戰役中被蘇軍擊毀的德軍坦克進攻開始前，加裏寧方麵軍和西方麵軍的編成內共有人員125萬餘人、火炮和迫擊炮2.06萬門、坦克和自行火炮1430輛、飛機1100架。戰役準備期間，進行了大規模變更部署。全體人員受到了在森林沼澤地行動的訓練，掌握了突破敵人預有準備的防禦的經驗。在長期防禦後轉入進攻，對軍隊在精神政治方麵的準備提出了新的要求。政治工作特別重視培養激發的進攻銳氣；共產黨員和共青團員奔向了最困難的地段。
第一階段，8月7～20日，西方麵軍進行了斯帕斯傑緬斯克戰役（1943），在戰役過程中粉碎了斯帕斯傑緬斯克地域的敵軍集團，向縱深推進30～40公裏，爾後被阻止在中間防禦地區。加裏寧方麵軍從13日起向杜霍夫希納方向展開進攻，僅略微楔入敵人防禦。在此情況下，最高統帥部大本營暫時停止了進攻，以變更兵力部署和準備新的突擊。鑒於布良斯克方麵軍推進順利，決定將西方麵軍基本兵力集中於斯摩棱斯克方向。
第二階段，8月21日～9月6日，西方麵軍準備和實施了葉利亞—多羅戈布日戰役（1943），在戰役過程中，於8月30日攻占了葉利尼亞，以右翼強渡第聶伯河後，於9月1日解放了多羅戈布日。6日終前，方麵軍推進35～40公裏。
第三階段，9月7日～10月2日，加裏寧方麵軍和西方麵軍變更部署後，於9月14～15日再度發起進攻，分別進行了杜霍夫希納—傑米多夫戰役（1943）和斯摩棱斯克一羅斯拉夫利戰役（1943）。25日解放了斯摩棱斯克、羅斯拉夫利。在進攻過程中，蘇軍推進135～145公裏，10月2日前，進抵韋利日以西、魯德尼亞、德裏賓及沿普羅尼亞河一線，在此轉入防禦。
斯摩棱斯克戰役的結果，蘇軍在寬約400公裏的地帶內向西推進200～250公裏，肅清了加裏寧州一部地區和斯摩棱斯克州全境的法西斯德國占領者，為解放白俄羅斯奠定了基礎。敵人被向西擊退到更遠之處。在進攻過程中，敵人7個師被粉碎，14個師遭重創。為了抗擊蘇軍在斯摩棱斯克方向的進攻，敵人被迫從奧廖爾—布良斯克方向調來13個師，從其他方向調來3個師，從而使蘇軍勝利結束了庫爾斯克反攻。在斯摩棱斯克州、加裏寧州和白俄羅斯東部各區行動的遊擊隊給了軍隊以巨大支援。由於氣象條件不利，航空兵的行動受到限製。
蘇軍在戰役中表現了高度戰鬥素質和集體英雄主義。104個戰功卓著的兵團和部隊（加裏寧方麵軍34個、西方麵軍70個）被分別授予“斯摩棱斯克”、“葉利尼亞”、“杜霍夫希納”、“亞爾采沃”、“傑米多夫”、“羅斯拉夫利”等榮譽稱號。許多兵團和部隊榮獲勳章，數萬名軍人得到戰鬥獎勵。