乌克兰第2、第1方面军分别于1月24日、26日转入进攻。他们突破德军防御后，开始急速对进。在乌克兰第2方面军方面，近卫坦克第5集团军于1月25日进入突破口。在乌克兰第1方面军方面，尚未组建完毕的坦克第6集团军加强若干步兵兵团，同诸兵种合成集团军一起在第一梯队进攻，以便实施更猛烈的突击和迅速突破德军防御。该集团军各快速兵团（共107辆坦克和自行火炮）在突破防御后奋勇当先，开始向兹韦尼戈罗德卡方向迅速前进。德军力图封闭突破口，于1月27日对奥西特尼亚日卡总方向乌克兰第2方面军突击集团两翼实施了反突击（3个坦克师从南面、1个坦克师和3个步兵师从北面）。德军暂时封闭了在其防御中打开的缺口，并切断了近卫坦克第5集团军两个突出的坦克军与方面军主力的联系。这两个军不顾极端复杂的条件，继续遂行所受领的任务，并于1月28日在兹韦尼戈罗德卡地域与乌克兰第1方面军坦克第6集团军部队会合，完成了对德军科尔孙—舍甫琴柯夫斯基集团的合围。当苏军击退德军向奥西特尼亚日卡方向的反突击后，德军统帅部为援救被围军队，从文尼察以东地域和乌曼以北地域调来一些坦克师。但是，苏军统帅部及时（2月3日前）构成了稳固的合围对外正面。为了争取时间，两个方面军在这里使用了得到步兵师、反坦克炮兵和工程工兵部队加强的坦克集团军。同时，乌克兰第1方面军第27集团军、乌克兰第2方面军近卫第4集团军，以及由乌克兰第2方面军预备队进入交战的近卫骑兵第5军，于2月3日在奥利沙纳地域封闭了合围的对内正面。尽管气象条件不利，但在合围德军和抗击德军反冲击时，空军第2、第5集团军航空兵给陆军很大帮助。从1月29日—2月3日，共出动飞机2800架次，比德军航空兵多1倍，从而夺取了制空权。德军统帅部在2月11日前调集近8个坦克师、6个步兵师在合围的对外正面实施多次反突击，但都被击退。乌克兰第1、第2方面军司令也不断增大合围对外正面的兵力。除步兵师和大量炮兵外，坦克第2集团军也被从文尼察附近调到这里。被围集团向雷相卡地域突围并与赶来解围的坦克部队会合的企图，也遭破产。1944年2月12日，最高统帅部大本营责成乌克兰第2方面军司令统一指挥合围对内正面作战的全部军队。2月17日凌晨，德军被围集团被歼。

此战，德军损失7.3万名官兵，其中被俘18200人。此外，苏军还重创15个师，包括在合围对外正面作战的8个坦克师。科尔孙—舍甫琴柯夫斯基突出部被清除和德军坦克第1集团军、第8集团军被严重削弱，大大改善了乌克兰第1、第2方面军结合部的苏军态势，为实施新的突击，粉碎德军南翼全部军队，完全解放右岸乌克兰创造了条件。科尔孙—舍甫琴柯夫斯基战役是围歼德军重兵集团的著名战役之一，是苏军自苏德战争开始，继斯大林格勒会战之后第二个大型合围战役。这一战役的特点是在抗击德军猛烈反冲击和反突击条件下构成合围的对内正面和对外正面。坦克军团的使用是不同寻常的：坦克第6集团军用于方面军第一梯队突破德军防御，近卫坦克第5集团军、坦克第6集团军都在德军坦克重兵集团将要实施反突击的合围对外正面独立组织防御。苏军完成合围后未经战役间歇，立即从不同方向同时实施突击，将德军被围集团分割成几部分，进而将其歼灭。在泥泞条件下广泛机动军队，是这一战役值得借鉴之处。空军第2集团军和国土防空航空兵第10军协同一致地对被合围之敌实行了有效的空中封锁，加速了德军的覆灭。苏军航空兵在战役期间共出动飞机11436架次，德军出动了5906架次。航空兵被广泛用于对军队，首先是对各坦克集团军进行油料、弹药供应，为此共出动飞机1200架次。苏军战功卓著的23个部队和兵团获得“科尔孙”荣誉称号，6个兵团被命名为“兹韦尼戈罗德卡”兵团。