參加此次會戰的蘇軍是５個協同作戰的方麵軍，即：中央方麵軍、沃羅涅日方麵軍、草原方麵軍、西南方麵軍和南方麵軍（１０月２０日分別改名為白俄羅斯方麵軍、烏克蘭第１、第２、第３、第４方麵軍），此外，蘇軍亞速海區艦隊、遠程航空兵和遊擊兵團也參加了這次會戰。蘇軍投入的兵力兵器共計有２６３．３萬人、２８５０架飛機、２４００輛坦克和自行火炮、５．１２萬門火炮和迫擊炮，和德軍相比，後占有明顯的優勢。為盡快發動戰略總攻，不給敵人以喘息之機，趁熱打鐵的蘇軍各參戰部隊克服重重困難，最大限度地及時集中了自己的兵力兵器。中央方麵軍第６５集團軍在突破地段集中了全部炮兵和坦克的２／３，平均每公裏火炮和迫擊炮的密度為１２２門。沃羅涅日方麵軍在第４７集團軍和近衛第４集團軍的突破地段上，每公裏火炮和迫擊炮的密度達到１５０～１７０門。如此強大的攻勢是德軍所史料未及的。
同時各方麵軍製定了預定目標，中央方麵軍、沃羅涅日方麵軍和草原方麵軍進至第聶伯河中遊；西南方麵軍和南方麵軍進至第聶伯河下遊和克裏木半島。為積極配合蘇軍對第聶伯河左岸烏克蘭地區的進攻，防止德軍從中央集團軍群（主力在斯摩棱斯克方向）向南方抽調兵力，蘇軍最高統帥部下令西方麵軍和加裏寧方麵軍發動斯摩棱斯克戰役，擊敗了德軍中央集團軍群的第３裝甲集團軍和第４集團軍，並攻占斯摩棱斯克———羅斯拉夫利地區。
與此同時，蘇軍最高統帥部還指示亞速海區艦隊，運送登陸兵在亞速海北岸登陸，配合陸軍在南方的進攻。蘇聯遊擊隊則應在敵後廣泛展開鬥爭，襲擊敵人交通線，分散敵人的精力和兵力以積極有效的行動配合正麵蘇軍取得強渡第聶伯河的勝利。
１９４３年８月至９月，蘇軍各方麵軍協同作戰，全麵出擊，形成了進攻的洪流勢不可擋。中央方麵軍（司令員羅科索夫斯基將軍）和沃羅涅日方麵軍（司令員瓦杜丁將軍）向科諾托普和基輔方向進攻，草原方麵軍（司令員科涅夫將軍）向波爾塔瓦———克列緬丘格方向進攻，西南方麵軍（司令員馬利諾夫斯基將軍）向第聶伯羅彼得羅夫斯克和紮波羅熱方向進攻，南方麵軍（司令員托爾布欣將軍）向莫洛奇納亞河進攻。
蘇軍中央方麵軍在基輔方向上的進攻，也叫切爾尼戈夫———普裏皮亞特河進攻戰役。方麵軍主要突擊方向是北諾夫戈羅德，輔助突擊方向是科諾托普。蘇軍當麵之敵是德軍中央集團軍群第２集團軍和第９集團軍一部，以及南方集團軍群第４裝甲集團軍部分兵力。
１９４３年８月２６日，在進行了４５分鍾的猛烈炮火和航空火力準備後，蘇軍中央方麵軍開始向德軍防禦陣地發起進攻。中央方麵軍在謝夫斯克、諾夫戈羅德———謝韋爾斯基方向投入了３個集團軍的兵力。在主突方向上的蘇軍第２坦克集團軍和第６５集團軍進展極其緩慢，由於德軍不屈不撓地頑強抵抗，經過一天的激烈混戰，僅向前推進了３至８公裏。盡管如此蘇軍的官兵們絲毫沒有動搖勝利的信心。次日，經過頑強戰鬥，蘇軍終於解放了謝夫斯克，但後因遇到德軍激烈抵抗而前進受阻。在左翼輔助突擊方向作戰的第６０集團軍則進展順利，很快就突破德軍寬４５公裏、縱深４０公裏的防禦正麵，於８月２９日解放了格盧霍夫，並繼續向科諾托普推進，進入烏克蘭北部地區。這樣，該集團軍就在德軍中央集團軍群和南方集團軍群的接合部上打開了一個很大的缺口。蘇軍官兵的戰鬥細胞更加活躍了。
為了擴大戰果，加快推進速度，同時也加快勝利的腳步，中央方麵軍出其不意，把主突方向上的基本兵力第１３集團軍、第２坦克集團軍，以及最高統帥部調來的第６１集團軍集中到左翼，在科諾托普方向上發展進攻，取得重大勝利。至８月３１日日終前，突破口的正麵擴大到１００公裏，縱深達６０公裏。德軍已經失去了戰鬥力，無法阻止蘇軍強大進攻，改變了進攻策略，被迫於９月１日撤至傑斯納河和第聶伯河的對岸。蘇軍中央方麵軍發現敵軍撤退，乘勝追擊。方麵軍左翼在行進間強渡謝伊姆河，９月９日解放了重要鐵路樞紐巴赫馬奇，９月１５日，又解放了通往基輔道路上的德軍重要支撐點涅任，９月１９日在切爾尼戈夫以南強度傑斯納河，９月２１日解放了切爾尼戈夫市。次日，在基輔以北前出到第聶伯河。方麵軍右翼部隊也強渡了傑斯納河，並在９月１６日解放了諾夫哥羅德市。
９月２２日拂曉，在德軍措手不及的情況下，方麵軍左翼第１３集團軍不等製式渡河器材運達，冒著巨大危險，便開始在寬大正麵上強渡第聶伯河。第一批強渡的是攜帶輕武器的步兵，緊接著是團屬炮兵。師屬炮兵在河東岸提供火力掩護。至日終前，集團軍奪占了一個正麵寬２５公裏、縱深２至１０公裏的登陸場，前出到切爾諾貝利、高查雷至普裏皮亞季河口地區。次日，登陸場正麵擴大到３５公裏，縱深擴展到２０公裏。當天，第１３集團軍左翼部隊又在普裏波亞季河右岸占領另一個登陸場。德軍調兵遣將向蘇軍登陸部隊實施多次反突擊，雖兵力也很強大，仍被蘇軍擊退。與第１３集團軍幾乎同時在基輔以北強渡第聶伯河的，還有方麵軍的第６０集團軍和近衛第７軍機械化部隊。當中央方麵軍左翼部隊在隆美爾以南進行緊張的戰鬥時，方麵軍右翼和中路各兵團也分別向日洛賓和隆美爾展開了進攻。至９月底，中央方麵軍鞏固了第聶伯河、普裏皮亞特河和索日河上已奪占的登陸場，並繼續戰鬥擴大登陸場。
沃羅涅日方麵軍原計劃在８月２７日轉入進攻。由於中央方麵軍在基輔方向上進攻的勝利，對防守在沃羅涅日方麵軍和草原方麵軍當麵的德軍第８集團軍和第４裝甲集團軍構成威脅，加上不久前沃羅涅日方麵軍在阿赫特爾卡地區擊退了德軍的反突擊，德軍為免遭合圍的危險，便於８月２５日開始從阿赫特爾卡突出部撤退。戰場形勢的變化促使沃羅涅日方麵軍右翼部隊提前於２５日轉入追擊，於當天解放了阿赫特爾卡，並向前推進１５至２０公裏。９月２日，右翼部隊解放了蘇梅，繼而向羅姆內、樸裏盧基和基輔發展進攻。方麵軍左翼部隊與草原方麵軍配合，在哈爾科夫西南進行戰鬥。９月１０日，方麵軍各部隊突破了羅姆內東南的德軍防線，３天後在寬大正麵強渡了蘇拉河。９月２１日，沃羅涅日方麵軍的近衛第３坦克集團軍先遣支隊，在布克林附近強渡第聶伯河，並奪取１個登陸場。次日，方麵軍突擊集團第４０、第２７和第４７集團軍利用坦克集團軍的戰果也隨之展開了強渡行動，均取得不同程度的勝利。
草原方麵軍的情況則有所不同，它在８月底以前在哈爾科夫以西和西南進行了多次戰鬥，在解放哈爾科夫以後，應向克拉斯諾格勒、上第聶伯羅夫斯克方向繼續進攻，並前出到第聶伯河。但是，德軍調來１５個師，竭盡全力阻止蘇軍在該方向上的進攻。草原方麵軍直到９月初才打退德軍反突擊後，向克拉斯諾格勒、上第聶伯羅夫斯克方向展開進攻。９月６日，蘇軍最高統帥部調整了該方麵軍的任務，令其向波爾塔瓦和克列緬丘格方向實施主要突擊，阻止德軍在該方向上建立穩固的防線。到９月２０日，方麵軍在奮力追擊敵人過程中，前出到距第聶伯河７０至１２０公裏處。２３日，解放了波爾塔瓦，６天後又解放了克列緬丘格。到９月底，草原方麵軍已全線推進到第聶伯河，以不可阻擋之勢，肅清了東岸的德軍，並著手強渡第聶伯河。
１９４３年８月中旬，防守頓巴斯的德軍南方集團軍群的第１裝甲集團軍和第６集團軍，共２０多個師。當蘇軍沃羅涅日方麵和草原方麵軍在阿赫特爾卡和哈爾科夫地域進行戰鬥時，西南方麵軍於８月１３日從伊久姆地域向巴爾文科沃方向展開了進攻。但８月份進展不大，僅擴大了伊久姆地域北頓涅茨河右岸的登陸場。８月１８日，南方麵軍各兵團在伏羅希洛夫格勒西南地域發起猛烈進攻。南方麵軍第５突擊集團軍和近衛第２集團軍也迅速地突破了德軍米烏斯河一線的堅固防禦。近衛第４機械化軍和近衛第４騎兵軍組成的方麵軍騎兵機械化集群，前出到亞速海沿岸地區，切斷了塔甘羅格防禦之敵的退路。使其在孤軍作戰的前提下，也已經失去了招架之功。８月２３日，蘇軍解放阿姆夫羅西耶夫卡，爾後繼續向南發動進攻。８月３０日，解放塔甘羅格。