Удары войск обоих фронтов одновременно на ряде участков должны были привести к дроблению обороны 6-й армии, лишить ее командующего возможности маневрировать своими резервами и обеспечить уничтожение войск армии по частям. Координация действий 3-го и 4-го Украинских фронтов была возложена на начальника Генштаба маршала А.М. Василевского.
Наступление войск 3-го Украинского фронта началось утром 30 января на направлениях вспомогательных ударов. На следующий день в наступление на главном направлении перешли соединения 46-й и 8-й гвардейской армий. Одновременно приступили к проведению операции войска 4-го Украинского. В 4 часа утра 50-я гвардейская стрелковая дивизия 5-й ударной армии сбила противника с занимаемого рубежа и продвинулась на глубину до 1,5 км. В 8 часов утра перешла в наступление соседняя 54-я гвардейская стрелковая дивизия. В целях содействия успеху 5-й ударной армии по приказу командующего 4-м Украинским фронтом генерала армии Толбухина в 12 часов дня начали наступление 3-я гвардейская и 28-я армии. С самого начала бои приняли напряженный характер. Командующий 6-й армией генерал пехоты Холлидт прилагал все усилия для того, чтобы удержать никопольский плацдарм. Однако войска фронта ударами на ряде направлений взломали оборону войск 6-й армии. В три часа дня в полосе 5-й ударной армии в сражение был введен 2-й гвардейский механизированный корпус, насчитывавший до 30 танков и самоходно-артиллерийских установок. К исходу дня войска 5-й ударной армии продвинулись на 7 км, а 2-й гвардейский механизированный корпус – до 11 км.
1 февраля в полосе 8-й гвардейской армии по решению командующего 3-м Украинским фронтом генерала армии Малиновского в прорыв был введен 4-й гвардейский механизированный корпус. Под напором подвижных сил 3-го и 4-го Украинских фронтов войска 6-й армии 2 февраля начали отход к переправам через Днепр. В тот же день армии были подчинены командующему группой армий «А» генерал-фельдмаршалу Э. фон Клейсту. Это избавило фон Манштейна от необходимости контролировать действия на этом направлении. Все его внимание теперь было сосредоточено на главном направлении, где необходимо было освободить войска, находившиеся в окружении.
9 февраля представитель Ставки ВГК маршал Жуков докладывал Сталину:
Ультиматум подписали маршал Жуков, генералы армии Ватутин и Конев. Противник ультиматум отклонил. Тотчас же на внутреннем фронте окружения и со стороны внешнего фронта немецкие войска начали ожесточенные атаки. Но все было тщетно. Генерал армии Конев, опасаясь за стык с 1-м Украинским фронтом, решил прикрыть его силами 5-го гвардейского кавалерийского корпуса. В приказе командующего 2-м Украинским фронтом от 8 февраля говорилось: