Начало наступления было намечено на 21 ноября. К исходу этого дня войска армии должны были выйти на фронт Городецкая, Войташивка, Вильня, Водотый, Соловьевка, Турбовка, Сущанка и к исходу 23 ноября на фронт (иск.) Коростышев, Шахворостивка, Яроповичи, Кривое, (иск.) Мохначка. На этом рубеже войска имели задачу закрепиться. На участке главного удара было приказано сосредоточить не менее 200 артиллерийских орудий и минометов на 1 км фронта.
3-я гвардейская танковая армия получила задачу содействовать 38-й армии огнем и быть готовой развить ее успех. 2-я воздушная армия должна была всеми силами содействовать 38-й армии, а также прикрыть от авиации противника войска 38-й и 3-й гвардейской танковой армий.
Бои 19 ноября. В течение 19 ноября бои шли только на отдельных участках, и положение сторон существенно не изменилось. Войска 60-й армии отражали атаки противника на участке 30-го стрелкового корпуса южнее Черняхов и вели бой в центре Коростышева. Большая часть житомирской группы войск армии 19 ноября прорвалась из окружения и вышла в район Высоко-Чешское, Забродье. Остальные войска армии закреплялись на занимаемых рубежах и приводили себя в порядок (схема 28).
Войска 38-й армии вели бой в районе Кочерово и Морозовка. К исходу дня Морозовка была оставлена нашими частями.
3-я гвардейская танковая армия оставалась на прежних рубежах и частью сил совместно с соединениями 38-й армии вела бой в районе Морозовка, Лучин. В корпусах армии создавались резервы из расчета по одной бригаде на корпус. В связи с недостатком материальной части в войсках эти бригады были слабого состава. Так, в 6-м гвардейском танковом корпусе в резерве было восемь танков, в 7-м гвардейском танковом корпусе – четыре танка и только в резерве 9-го механизированного корпуса имелось двадцать пять танков.
Противник в течение всего дня, ведя атаки на отдельных участках, производил перегруппировку. В районе Соловьевки была выведена из боя 19-я танковая дивизия. Южнее ее продолжала действовать 25-я танковая дивизия. Танковая дивизия СС «Адольф Гитлер» вела бои в районе Вильня, Водотый. 7-я танковая дивизия действовала в районе Вересы, 8-я танковая дивизия была сосредоточена в Житомире. Это свидетельствовало о том, что противник в районе Брусилова готовит сильный удар силами трех-четырех танковых дивизий с целью прорваться к Киеву. Немцы в этот день начали выводить из боевых порядков в район Белой Церкви танковую дивизию СС «Рейх».
Бои 20 ноября. 20 ноября 38-я армия не смогла перейти к активным действиям, так как противник силами 1-й танковой дивизии вел сильные атаки в районе Кочерово. Одновременно с этим немцы силами 7-й танковой и 20-й моторизованной дивизий наносили второй удар в направлении Студеница, Радомышль. Части 23-го стрелкового корпуса 60-й армии, не выдержав удара, начали отход на северо-восток.
В этот день командующий фронтом переподчинил 47-й стрелковый корпус (337-я, 38-я и 136-я стрелковые дивизии) 27-й армии и приказал перенести командный пункт этой армии в Обухов. На букринском плацдарме был оставлен лишь вспомогательный пункт управления. Разграничительная линия между 40-й и 27-й армиями с 24 часов 21 ноября проходила Мал. Дмитровичи, Копачи, м. Германовка, Розалеевка (все пункты, кроме Мал. Дмитровичи, включительно для 40-й армии). Обе армии имели прежнюю задачу – прочно удерживать занимаемый рубеж (схема 29).
Частными распоряжениями командующий фронтом передал 202-ю стрелковую дивизию из 38-й в 60-ю армию и 28-ю истребительно-противотанковую артиллерийскую бригаду из 40-й также в 60-ю армию.
15-й стрелковый корпус 60-й армии (336-я стрелковая и 2-я гвардейская воздушно-десантная дивизии, 248-я стрелковая бригада) в этот день вышел в район Радомышля. Ему было приказано организовать оборону по северному берегу реки Быстреевка на участке Филипповичи, южная окраина Радомышля фронтом на юг. В район Радомышля выдвигалась также 91-я танковая бригада 3-й гвардейской танковой армии, переданная командующим фронтом в оперативное подчинение 60-й армии. В ночь на 21 ноября 7-й гвардейский танковый корпус (имевший к этому времени в строю всего лишь девятнадцать танков) также начал марш в район Радомышля.
Бои 21 ноября. С утра 21 ноября противник силами 19-й танковой дивизии, танковой дивизии СС «Адольф Гитлер» и 1-й танковой дивизии перешел в наступление на Рудня, Кочерово, Водотый, Дивин и после ожесточенных боев потеснил части 38-й армии вдоль шоссе на 2–3 км восточнее Кочерово. Юго-восточнее Брусилова войска армии оставили Вилынку. В полосе 60-й армии противник развивал удар на Радомышль и начал наступление силами 8-й танковой дивизии на Черняхов. В районе Радомышля немцы вышли к южному берегу реки Быстреевка и частями 7-й танковой дивизии форсировали реку Тетерев южнее Радомышля.