Первоначально срок начала наступления был назначен на 4 октября, однако ввиду недостатка боеприпасов и непрерывных контратак противника наступление откладывалось до 12 октября. Наконец в 7.00 12 октября наступление началось с 40-минутной артиллерийской подготовки. Незначительные размеры букринского плацдарма и недостаток тяжелых переправочных средств не позволяли использовать основную массу артиллерии на правом берегу реки. Огонь же артиллерии с левого берега вследствие плохих условий наблюдения оказался малоэффективным. Кроме того, резко пересеченный холмистый характер местности в районе букринского плацдарма, изрезанной длинными оврагами с отвесными стенами, затруднял использование танков. Плацдарм располагал лишь несколькими проселочными дорогами, идущими в сторону противника, которые проходили у краев обрывов или в узких промоинах. Каждый из корпусов 3-й гвардейской танковой армии мог использовать лишь 1–2 таких дороги. На направлениях наступления корпусов можно было развернуть одновременно не более одной танковой роты. Наступление успеха не имело и было приостановлено уже 16 октября.
Новое наступление с букринского плацдарма началось утром 21 октября. Прорыв обороны противника теперь предполагалось осуществить сосредоточением усилий в полосе 40-й армии. Однако противник, вскрыв сосредоточение советских танков на плацдарме, значительно усилил противотанковую оборону. На подступы к плацдарму была подтянута дивизия СС «Рейх». Попытки развить наступление 21–22 октября успеха не имели. Намерение командующего фронтом провести в конце октября третье наступление с букринского плацдарма было отменено.
Наступление 60-й и 38-й армий с плацдармов севернее Киева в период с 11 по 17 октября также успеха не принесло и завершилось лишь некоторым расширением плацдармов.
В противоположность неудаче наступлений Воронежского фронта действия войск Степного и Юго-Западного фронтов были более успешными. К середине октября войска Степного фронта завершили подготовку к наступлению на криворожском направлении. На левом крыле фронта, между Куцеваловкой и Верхне-Днепровском, на неглубоком, но широком по фронту плацдарме были развернуты войска 5-й гвардейской, 37-й, 7-й гвардейской и 57-й армий, а также один механизированный корпус. За этими армиями были сосредоточены прибывшие из резерва Ставки 5-я гвардейская танковая армия и 7-й механизированный корпус.
Ударная группировка Степного фронта перешла в наступление 15 октября, нанося главный удар в направлении Пятихаток, Кривого Рога. Операция развивалась успешно. Немецкая оборона на стыке 47-го танкового и 52-го армейского корпусов 1-й танковой армии была взломана. В прорыв были введены подвижные войска — 5-я гвардейская танковая армия (два танковых и один механизированный корпуса) и два отдельных механизированных корпуса. К 23 октября советские войска расширили прорыв до 70 км по фронту и развили его на глубину около 100 км. Танковые и механизированные части к этому времени продвинулись к Кривому Рогу и в район Митрофановки (30 км восточнее Кировограда). Части 18-го танкового корпуса с десантом пехоты с налету ворвались в Кривой Рог, но, будучи контратакованы сильной танковой группировкой противника, закрепиться в городе не смогли.