В полосе Центрального фронта в ночь на 9 сентября через Десну переправились разведывательные группы соединений 65-й армии. Противник открыл сильный огонь, пытаясь помешать форсированию реки. Однако гвардейские минометы быстро подавили вражеские орудия. Передовые отряды 19-го стрелкового корпуса начали переправу на лодках, плотах из бревен и железных бочек. К утру главные силы двух полков 162-й стрелковой дивизии переправились через Десну. 140-я Сибирская стрелковая дивизия, наступавшая левее, форсировала реку на подручных средствах двумя батальонами. Они выбили противника из прибрежного села Чулатово и обеспечили переправу остальных частей. Противник предпринял ожесточенные контратаки, пытаясь сбросить в реку переправившиеся части. Командующий 65-й армией генерал П.И. Батов вызвал на помощь авиацию, которая ударами с воздуха остановила пехоту и танки противника. Во второй половине дня на плацдарм переправилась 106-я Забайкальская стрелковая дивизия, затем туда была переброшена 354-я стрелковая дивизия. В результате удалось сковать крупные силы врага и облегчить форсирование Десны частям 18-го стрелкового корпуса. В ночь на 10 сентября они ликвидировали предмостное укрепление противника под Свердловкой и начали подготовку к переправе. В три часа утра 12 сентября корпус форсировал Десну, а в пять часов утра 15 сентября на западный берег реки переправился и 27-й стрелковый корпус.
Противник, опасаясь окружения, начал отход от плацдарма, занимаемого частями 19-го стрелкового корпуса. Вскоре Десну форсировала 102-я стрелковая дивизия 48-й армии, примыкавшая к правому флангу 65-й армии. 16 сентября части 19-го стрелкового корпуса и 14-я инженерно-саперная бригада 65-й армии, 102-я стрелковая дивизия и 193-й отдельный танковый полк 48-й армии освободили Новгород-Северский.
Успешно развивалось наступление и на левом крыле Центрального фронта. Однако действия войск на этом направлении сдерживали соединения 38-й армии Воронежского фронта, которые значительно отстали. Это вынуждало левофланговые дивизии Центрального фронта поворачиваться на юг, растягивая свой фронт вместо того, чтобы продвигаться на запад. Сталин, недовольный действиями 38-й армии, потребовал в шесть часов вечера 12 сентября от маршала Жукова принять меры по ускорению продвижения правого крыла Воронежского фронта, особенно войск 38-й армии.
Фон Манштейн не хотел примириться с утратой Донбасса. 11 и 12 сентября он не раз предпринимал сильные контратаки, что позволяло на некоторое время вновь захватывать отдельные населенные пункты. Для отражения контратак командующий Юго-Западным фронтом генерал армии Р.Я. Малиновский вынужден был передать в 3-ю гвардейскую армию свой последний резерв – 33-й стрелковый корпус. Полностью израсходовал фронтовые резервы и командующий Южным фронтом генерал-полковник Ф.И. Толбухин.
Фон Манштейн, оценивая обстановку, сложившуюся к 14 сентября, сообщил в Генштаб Сухопутных войск, что он вынужден на следующий день отдать приказ об отходе также и северного фланга группы армий за Днепр по обе стороны от Киева. Еще до этого 8-й армии было приказано перейти к маневренной обороне. В ответ на это донесение командующему группы армий «Юг» указали на то, что приказ не должен отдаваться до тех пор, пока Гитлер 15 сентября не переговорит с ним. Во время этой беседы фон Манштейн доложил фюреру о том, что после посещения им фронта обстановка ухудшилась.