21 октября, в 11 часов, после 45-минутной артиллерийской подготовки оба крыла фронта перешли в решительное наступление, прорвали оборону противника на участке севернее Васильевка, Карачекрак, Эристовка, Гендельберг по фронту 20 км и продвинулись на отдельных участках на глубину от 1 до 6 км, а в Мелитополе овладели девятью кварталами.
3-я гвардейская армия продвинулась на расстояние от 1 до 6 км. 5-я ударная армия — от 3 до 5 км. 44-я армия продвинулась незначительно. 28-я армия — от 1 до 3 км.
В течение 22 и 23 октября войска продолжали развивать прорыв и, ведя ожесточенные бои на обоих направлениях, продвинулись на отдельных участках правого крыла в глубину от 1 до 8 км, а на левом крыле к 16 часам 23 октября овладели Мелитополем, очистив его полностью от противника.
Выход 3-й гвардейской, 5-й ударной, 44-й и 2-й гвардейской армий на правом крыле фронта на рубеж восточнее железной дороги Запорожье, Мелитополь, а на левом крыле захват 51-й армией Мелитополя, по существу, означал прорыв тактической обороны противника.
В использовании артиллерии были применены новые методы. На прямую наводку была доставлена вся полковая, до 50 % дивизионной артиллерии и, кроме того, часть 122-мм гаубиц и 152-мм пушек-гаубиц. В период артиллерийской подготовки огневых налетов не производилось, огонь начинался разрушением и методическим подавлением целей. В ходе артиллерийской подготовки темп огня постепенно нарастал и к концу подготовки достигал предельного напряжения. Перенос огня при атаке производился при неослабевающей интенсивности, вследствие чего конец артиллерийской подготовки резко не обозначался.
Движение пехоты начиналось через 10–16 минут после начала артиллерийской подготовки и проходило успешно, так как наблюдения со стороны противника не было. Залп гвардейских минометов производился не в заключение артиллерийской подготовки, а при развитии атаки пехоты. Удачно также использовались дымовые снаряды для ослепления противника на флангах.
Пехота, атаковав позиции противника, быстро овладевала передним краем и начинала продвигаться вперед. На занятый ею рубеж (на открытые позиции) быстро выдвигалась артиллерия всех калибров (до 152-мм орудий включительно) и огнем прямой наводки отражала контратаки танков, самоходных орудий и пехоты противника.
Важную роль в прорыве обороны противника сыграла авиация. В периоде 14 по 23 октября 8-я воздушная армия произвела, несмотря на ограничения по погодным условиям, 3561 самолето-вылет против 750 самолето-вылетов противника.
В течение 23 октября противник из района Зеленый Гай, а на южном участке фронта с направления Акимовка предпринимал неоднократные контратаки группами до 40 танков и самоходных орудий совместно с бомбардировочной авиацией, стремясь не допустить прорыва советских войск в западном направлении.