В 10 часов утра 15 октября войска 5-й гвардейской армии совместно с соединениями 37-й армии после артиллерийской подготовки, поддерживаемые авиацией 5-й воздушной армии, совершившей в этот день около 500 самолето-вылетов, перешли в наступление с плацдармов Дериевка, Куцеволовка, Мишурин Рог. Противник контратаками танков и пехоты, ударами авиации стремился задержать продвижение войск Степного фронта. Положение усугубила и погода, так как пошел дождь. В результате видимость ухудшилась, а эффективность артиллерийского огня резко снизилась. Стрелковые соединения 5-й гвардейской армии, не имея необходимой танковой поддержки, за несколько часов боя смогли овладеть только первой линией траншей и окопов.
Генерал армии Конев, находившийся на наблюдательном пункте командующего 5-й гвардейской танковой армией, принял меры по ускорению прорыва вражеской обороны. В три часа дня он ввел в полосе 37-й армии 7-й механизированный корпус, а через два часа в полосе 5-й гвардейской армии — 18-й танковый корпус 5-й гвардейской танковой армии. Внезапность и решительность удара подвижных соединений позволила им быстро прорвать оборону противника и в течение ночи продвинуться на 25 км. В ходе наступления тяжелое ранение получил командир 18-го танкового корпуса генерал-майор К.Г. Труфанов, которого заменил его заместитель полковник А.Н. Фирсович. Однако в ночных условиях он потерял управление частями. Это вынудило командующего танковой армией генерал-лейтенанта танковых войск П.А. Ротмистрова приостановить их наступление, с тем чтобы дать время собраться и привести себя в порядок. С разрешения генерала армии Конева командарм ввел в сражение свой второй эшелон — 29-й танковый корпус, двигавшийся в колоннах за 18-м танковым корпусом. Части 29-го танкового корпуса к ночи ворвались в Пятихатки.
Маршал Советского Союза Жуков, координировавший действия Воронежского и Степного фронтов, 16 октября доложил Сталину:
Сталин согласился с этим предложением. 17 октября он приказал выделить из состава Юго-Западного фронта четыре стрелковые дивизии и направить их на усиление Степного фронта. Одновременно генерал армии Конев провел перегруппировку своих сил и средств. Командующему 53-й армией было приказано оставить на плацдарме западнее села Келеберда две стрелковые дивизии, а четыре дивизии вывести в резерв. После этого главными силами на своем левом фланге нанести удар из-за правого фланга 5-й гвардейской армии на Александрию, Кировоград, а соединениями правого фланга обеспечить ударную группировку с северо-запада. Армиям левого крыла Степного фронта предписывалось развивать наступление в направлении Пятихатки и расширять фронт прорыва в сторону флангов в направлении Онуфриевка, Верховцы. От 5-й гвардейской танковой армии требовалось при поддержке 1-го штурмового и 4-го истребительного авиационных корпусов продолжать наступление на Пятихатки, Кривой Рог, имея один танковый корпус за правым флангом в готовности для развития удара на Александрию. Одновременно генерал-лейтенанту танковых войск Ротмистрову предстояло до выхода пехоты к Кривому Рогу обеспечить себя слева по р. Саксагань, а одной танковой бригадой нанести удар во фланг и в тыл противника, оборонявшегося в Дериевке, и совместно с правофланговыми дивизиями 5-й гвардейской армии овладеть этим узлом сопротивления.