В 9 часов в условиях густого тумана пошла в атаку пехота. Соединения 53-й армии совместно с 5-м гвардейским механизированным корпусом прорвали вражескую оборону, но противник, оправившись от первого удара, предпринял контратаки танками и пехотой из района Федварь. Войска 5-й гвардейской армии также прорвали оборону противника, отразив несколько контратак его пехоты и танков. В 11 часов в сражение был введен 7-й механизированный корпус. К исходу дня подвижные части, а также части 110-й гвардейской стрелковой дивизии прорвались к р. Ингул в районе Большая Мамайка. К этому времени 53-я и 5-я гвардейская армии, действовавшие на правом фланге ударной группировки фронта, прорвали оборону противника в полосе шириной 24 км и на глубину от 4 до 24 км. Это означало, что на отдельных направлениях тактическая зона обороны врага была преодолена.
Сложнее обстояло дело в полосе наступления 7-й гвардейской армии. Противник оказал упорное сопротивление, в результате чего стрелковые соединения армии сумели за два часа боя продвинуться только почти на два километра. Поэтому с разрешения генерала армии Конева командующий 5-й гвардейской танковой армией в полдень ввел в сражение 18-й и 29-й танковые корпуса. Сам Конев с группой офицеров и генералов полевого управления фронта выехал на командный пункт 5-й гвардейской танковой армии, откуда продолжал руководить операцией.
Генерал армии Конев, стремясь развить успех 5-й гвардейской армии, приказал передать в подчинение генерала Жадова 8-й механизированный корпус. Командующему 5-й гвардейской армией была поставлена задача с утра 6 января «развить энергичное наступление 7-м и 8-м механизированными корпусами в обход Кировограда с северо-запада в общем направлении на Грузкое, разъезд Лелековка с целью перерезать пути, ведущие из Кировограда на запад и северо-запад, и во взаимодействии с войсками 5-й гвардейской танковой армии овладеть Кировоградом».[281]
В одиннадцать часов вечера 5 января части 18-го и 29-го танковых корпусов возобновили наступление. Разгромив остатки противотанкового узла противника в Плавнях, они продвинулись на 10 км и к утру 6 января вышли на рубеж Покровское, Рыбчино. Развивая наступление, 31-я танковая бригада к полудню завязала бой на восточной окраине Клинцов. Вскоре сюда подошли и остальные соединения 29-го танкового корпуса. Южнее наступал 18-й танковый корпус, который к часу дня, переправившись через р. Ингул, начал стремительно продвигаться на северо-запад. Части 29-го танкового корпуса, с ходу преодолев второй оборонительный рубеж врага, созданный по р. Аджамка, в ночь на 7 января прорвались к юго-восточной окраине Кировограда. 18-й танковый корпус овладел Федоровкой и, прикрыв свой южный фланг, главными силами к утру вышел к Ново-Павловке, перерезав шоссейную дорогу Кировоград – Ровное. В это время передовые части 7-го и 8-го механизированных корпусов, развивая наступление на Грузкое, перехватили железную и шоссейную дороги Кировоград – Ново-Украинка в районе разъезда Лелековка, завершив оперативное окружение противника в Кировограде. 8 января город был освобожден. Успех, достигнутый войсками 5-й гвардейской танковой армии, обошелся в 139 потерянных танков и САУ, или около 60% боевого состава.