Поздним вечером 2 ноября Николай Федорович отдал приказ о начале наступления с лютежского плацдарма. Ночью командующий выехал на свой НП, а в это время во всех ротах зачитывалось обращение Военного совета фронта: «Товарищи! Перед нами Киев — мать городов русских, колыбель нашего Отечества. Здесь много веков назад зародилась наша могучая Русь. Здесь с оружием в руках отстаивали от врагов свободу и независимость русского и украинского народов наши отцы и матери, наши деды и прадеды... 25 месяцев фашистские хищники издеваются, грабят и убивают мирных советских граждан, жгут и уничтожают киевские фабрики и заводы, прекрасные здания и зеленые улицы, оскверняют и поганят памятники и могилы борцов нашей священной земли... За нашу Советскую Родину, за нашу свободу и счастливую жизнь, за Украину, за Киев, вперед на разгром врага!»

Ночью 3 ноября Николай Федорович занял НП на правом берегу Днепра, в 12 километрах севернее Киева, близ села Ново-Петровцы, в 800 метрах от переднего края. В 8 часов 40 минут на врага обрушился мощный огневой налет. Поднялась в атаку пехота. Через два часа, воспользовавшись улучшением погоды, на врага пошли самолеты 2-й воздушной армии. Только за этот день они совершили 1150 самолето-вылетов.

Уже совершенно с другим настроением наблюдал Николай Федорович за развитием наступления. К исходу дня ударная группировка продвинулась вперед на 5—12 километров. До Киева оставалось всего ничего. Ватутин торопил командующих армиями, его торопила Ставка. К утру 4 ноября Манштейн, убедившись, что прозевал маневр советских войск и теряет свои позиции, начал гнать к Киеву резервы со всех направлений, но было уже поздно. В районе тихого дачного поселка Пуща Водица, у белых зданий детского санатория, пехота Москаленко пробила брешь в обороне врага, в которую устремились танки. В течение 4—5 ноября Ватутин ввел в сражение 3-ю гвардейскую танковую армию и 1-й гвардейский кавкорпус. Это позволило уже в тот же день прорвать тактическую оборону врага, а к утру 5 ноября передовые отряды танковых корпусов вышли на шоссе Киев—Житомир, перерезав главную коммуникацию, связывающую вражескую группировку с тылом. «Больше шума, сеять среди врага панику!» — таков был приказ Ватутина, и танкисты с зажженными фарами, включенными сиренами, стреляя из пушек и пулеметов, рвались вперед. Прорыв главной группировки обеспечил успешное наступление 60-й армии.

5 ноября развернулись тяжелейшие бои за Святошино — последний оборонительный рубеж врага. Здесь, несколько оправившись от шока, гитлеровцы попытались организовать сопротивление, но советские войска были неудержимы. Первыми на окраину Киева в районе кинофабрики вышли бойцы 167-й стрелковой дивизии генерала И.И. Мельникова. К исходу дня 5 ноября танкисты 5-го гвардейского танкового корпуса генерала А.Г. Кравченко достигли северо-западной окраины Киева и завязали бои за заводы «Арсенал» и «Большевик».