С 13 ноября войска 1-го Украинского фронта силами 38-й и 3-й гвардейской танковой армий перешли к обороне. Началась Киевская оборонительная операция, продолжавшаяся до 22 декабря. Правое крыло фронта (13-я и 60-я армии) продолжало наступление.
15 ноября 48-й танковый корпус генерала танковых войск Балька приступил к нанесению намеченного контрудара. С этой целью он был передан в состав вновь созданной армейской группы генерала пехоты Маттенклотта, куда входил также 13-й армейский корпус генерал-лейтенанта Хауфе. В результате контрудара во фланг 1-й гвардейской армии она вынуждена была начать отход. Поражение понесли и танковые корпуса 1-го Украинского фронта, которые продвигались от Киева на юго-запад. Затем 48-й танковый корпус повернул на запад и нанес удар по силам, преследовавшим 13-й армейский корпус. При этом снова был захвачен Житомир, освобожденный 12 ноября. Однако последний намечавшийся удар 48-го танкового корпуса на восток вдоль большого шоссе Житомир – Киев в тыл противнику, находившемуся южнее Киева, был сорван в результате распутицы.
Фон Манштейн, оценивая итоги этого контрудара, отмечал, что хотя и не удалось сбросить войска 1-го Украинского фронта с западного берега Днепра, но все же к началу декабря было временно восстановлено положение в полосе 4-й танковой армии. Она занимала теперь позиции фронтом на север от Днепра, от пункта 40 км южнее Киева до района севернее Житомира. 49-й армейский корпус, оставшийся изолированным в районе Коростеня, снова овладел этим городом, восстановив железнодорожную связь с группой армий «Центр». По донесению штаба 4-й танковой армии, советские войска потеряли около 20 тыс. человек убитыми, 600 танков, 300 орудий и свыше 1200 противотанковых орудий. В плен было захвачено 5 тыс. человек.[258]
Войска 38-й армии, оборонявшейся на участке Житомир, Фастов, под ударами превосходивших сил противника вынуждены были отходить на север. 17 ноября противник вышел в районе Коростышева на житомирско-киевское шоссе и развернул вдоль него наступление на Киев. На следующий день фон Манштейну ударами с севера, юга и востока удалось окружить в районе Житомира часть сил 60-й армии. После двухдневных ожесточенных боев большая их часть прорвалась из окружения, оставив город.
В то время как войска 1-го Украинского фронта вели ожесточенные боевые действия, соединения 2-го Украинского фронта снова перешли в наступление. Ставка ВГК, несмотря на то что не удалось овладеть Кривым Рогом, не отказалась от своего замысла по разгрому никопольско-криворожской группировки противника. По директиве № 30238 от 5 ноября эта задача возлагалась на три Украинских фронта (2, 3 и 4-й).