В конце сентября войска Воронежского фронта, переименованного 20 октября в 1-й Украинский фронт, захватили на правом берегу Днепра два плацдарма. Лютежский плацдарм находился районе села Лютеж в 30 км севернее Киева, а Букринский плацдарм в районе Великого Букрина в 80 км юго-восточнее Киева.. Основной удар первоначально наносился с Букринского плацдарма, а вспомогательный с Лютежского.
С 24 октября по приказу Сталина основные усилия фронта были перенесены на Лютежский плацдарм, куда с Букринского плацдарма были тайно переброшены 3-я гвардейская танковая армия, 23-й стрелковый корпус, 7-й артиллерийский корпус и другие соединения и части. Благодаря скрытности проведённых манёвров противник не обнаружил перегруппировки советских войск.
В полосе наступления советских войск 4-я танковая армия имела около 11 сильно потрепанных пехотных дивизий, имея в резерве 2 танковые дивизии. Непосредственно город Киев оборонялся частями 7-го армейского корпуса Вермахта. Для прикрытия Киева с севера противник построил три укрепленные полосы обороны с развитой системой инженерных укреплений. С другой стороны советское командование ввело в бой в первом эшелоне 17-20 стрелковых дивизий, 3-4 танковых корпуса и 1 кавалерийский корпус.
1 ноября началось наступление с Букринского плацдарма, основной целью которого было сковать силы противника. Утром 3 ноября главная группировка фронта нанесла удар. После 40-минутной артподготовки советские войска беспрепятственно продвинулись на 1-2 км. К концу дня войска 38-й армии совместно с 5-м гвардейским танковым корпусом и соединениями 60-й армии продвинулись на 5-12 км. Здесь необходимо отметить, что 60-я армия наступала с двух соседних плацдармов у сёл Казаровичи и Глебовка и у села Ясногородка и прикрывала с севера и северо-запада правый, открытый фланг 38-й армии.
К исходу первого дня операции 240-я стрелковая дивизия, непосредственно наносившая удар на Киев и поддержанная частями 7-го артиллерийского корпуса, была уже в киевском пригороде Пуще-Водице. При этом были отражены ряд немецких контратак, в которых участвовали подразделения 20-й моторизованной дивизии. К концу 4-го ноября части 38-й армии (51-й стрелковый корпус), несмотря на поддержку 5-го гвардейского танкового корпуса и 3-й гвардейской танковой армии, смогли продвинуться к Киеву с севера лишь на 5-6 км, достигнув пригорода Приорка и северной границы города. 4-5 ноября в сражение вступили 1-й гвардейский кавалерийский корпус и 3-я гвардейская ТА, которая перерезала шоссе Киев-Житомир на западной окраине Киева. Освобождению столицы Украины также помогло форсирование Днепра 4 ноября силами 237 стрелковой дивизии в районе остров Казачий, что напротив сёл Вита-Литовская и Пирогово, находящихся в 15 км к югу от Киева. У Виты-Литовской советские части смогли оседлать шоссе, ведущее в Киев по берегу Днепра. Таким образом немцы не могли перебрасывать подкрепления в Киев из района Букринского плацдарма. С утра 5-го ноября противник начал отход из города по шоссе на Васильков.
