Войска Степного, Центрального, Воронежского, Южного и Юго-Западного фронтов приступили к преследованию соединений группы армий «Юг». 20 сентября части 5-й гвардейской и 53-й армий Степного фронта подошли к Полтаве, городу, преграждавшему путь к Днепру. Данные разведки свидетельствовали, что враг готовится упорно оборонять город. Гарнизон Полтавы был увеличен вдвое. По правому берегу р. Ворскла заблаговременно были созданы оборонительные позиции, подступы к которым прикрывались различными инженерными сооружениями. Все каменные здания в Полтаве были приспособлены к круговой обороне.
Командующий Степным фронтом придавал большое значение захвату Полтавы. 21 сентября генерал армии И.С. Конев прибыл на командный пункт 5-й гвардейской армии. Вместе с командармом генералом А.С. Жадовым он выехал в 33-й гвардейский стрелковый корпус. На наблюдательном пункте командира 95-й гвардейской стрелковой дивизии генерала Н.С. Никитченко они отработали все детали предстоящего штурма Полтавы. Затем направились в 97-ю гвардейскую стрелковую дивизию, где заслушали решение ее командира полковника И.И. Анциферова.
Поздно вечером на заседании военного совета 5-й гвардейской армии был уточнен план разгрома противника. Штаб фронта совместно со штабом командующего артиллерией спланировал организацию огневого поражения противника. Большое внимание было уделено вопросам организации тесного взаимодействия всех родов войск.
22 сентября после артиллерийской подготовки при поддержке авиации решительной атакой и обходным маневром Полтава была освобождена. Первыми в город ворвались штурмовые отряды 95-й гвардейской стрелковой дивизии.
Успешно развивалось наступление и на других фронтах. 21 сентября войска Центрального фронта освободили Чернигов, а соединения 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта вышли к Днепру южнее Киева. На следующий день к Днепру подошли войска 13-й армии Центрального фронта. Они при поддержке авиации и артиллерии с ходу форсировали реку и овладели плацдармами в междуречье Днепра и Припяти. Одновременно передовой отряд 6-го танкового корпуса 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта захватил плацдарм в районе Великого Букрина. Войска Юго-Западного фронта вышли на рубеж Новомосковск, восточнее Запорожья, а его ударная группировка достигла Днепра. Соединения Южного фронта, преследуя противника, заняли рубеж западнее Орехова, р. Молочная, Мелитополь. Однако попытки частей 5-й ударной и 2-й гвардейской армий с ходу прорвать вражескую оборону успеха не имели.
На этом завершилась Донбасская операция, в ходе которой войска Южного и Юго-Западного фронтов продвинулись на глубину до 300 км, разгромили 13 дивизий противника, создав благоприятные условия для освобождения Северной Таврии, Правобережной Украины и Крыма. Однако Южному фронту не удалось окружить и уничтожить таганрогскую группировку врага. Потери войск Юго-Западного и Южного фронта составили: безвозвратные – 66 166 человек, санитарные – 207 356 человек; 886 танков и САУ, 814 орудий и минометов, 327 самолетов [368].
Войска группы армий «Юг», несмотря на все трудности, сумели оторваться от войск Красной Армии. Соединения 6-й армии сумели быстро отойти на заранее подготовленные позиции севернее Мелитополя и на запорожский плацдарм. В более трудном положении оказались 1-я танковая, 4-я танковая и 8-я армии. Для отхода за Днепр они располагали всего пятью переправами. Левый фланг 1-й танковой армии и 8-я армия вынуждены были отходить к реке не по прямой, а севернее Днепра, почти параллельно к нему, на запад, чтобы выйти к переправам, использование которых могло обеспечить своевременное занятие оборонительных позиций за рекой во всей полосе группы армий «Юг». При этом войскам 8-й армии пришлось пробиваться с боями к своей западной переправе у Черкасс. На левом фланге группы армий «Юг» возникла угроза для 4-й танковой армии, которая потеряла связь со 2-й армией группы армий «Центр».