Атака на город планировалась с двух направлений. Основной удар наносился с Букринского плацдарма, вспомогательный с Лютежского плацдарма. В боях за эти участки фронта советские войска потеряли убитыми и ранеными 21 440 и 85 тысяч человек соответственно.
Сама операция далась 1 Украинскому фронту чуть легче. 671 тысяче красноармейцев противостояли 11 сильно потрёпанных пехотных дивизий и 2 танковые. В первый же день советские части продвинулись на 2 километра на вспомогательном направлении и на 12 километров на основном. К исходу 1 ноября 1943 года пригороды Киева были уже освобождены.
К 4 ноября Красная армия контролировала 2 шоссе, ведущих из города, что мешало немцам перебрасывать подкрепления в город. На подступах к столице УССР противник попытался провести несколько контратак, которые были отбиты.
С утра 5 ноября противник начал отход из города по шоссе на Васильков. К утру 6 ноября Киев был освобождён. Только к 11 ноября солдаты Рейха собрались с силами и дали первый серьезный отпор красноармейцам у городка Фастов, но и это не остановило Советский Союз.
В анализах потерь отмечается, что в боях за Киев Вермахт сумел сохранить большую часть личного состава, но практически вся техника и артиллерия была либо уничтожена, либо брошена.
В ходе операции советская сторона понесла потери в размере 30,5 тысяч человек, 24 тысячи из которых — раненые. 4 танковая армия немцев потеряла около 3,8 тысячи человек, из которых убитыми насчитывалось 389 убитых. По советским данным, еще 2,5 тысячи немцев попали в плен.