Wojska Frontu Stepowego rozpoczęły działania 15 października. Po przygotowaniu artyleryjskim z rejonu Krzemieńczuka ruszyły do ataku 5. i 7 Gwardyjskie Armie oraz 37. i 57 Armia. W drugim rzucie na przerwanie frontu czekała 5 Gwardyjska Armia Pancerna. Z powietrza natarcie wspierała 5 Armia Lotnicza. Atakowano w kierunku Piatichatek i Krzywego Rogu. Ponieważ początkowo nie zdołano złamać obrony, do akcji wprowadzono drugi rzut frontu. Po dwóch dniach został on przerwany na szerokość 40 km i głębokość 17 km. Aby wykorzystać sytuację, Frontowi Stepowemu przekazano z Frontu Południowo-Zachodniego cztery dywizje strzeleckie i 1 Korpus Zmechanizowany, a z Frontu Południowego – 20 Korpus Pancerny. Dzięki temu do 23 października wyłom miał już 70 km szerokości i 125 km głębokości. Radzieckie czołgi kierowały się na Krzywy Róg i doszły na odległość 30 km od Kirowogradu.