1943年11月初，苏军收复基辅，霍特的第4装甲集团军被苏军击溃。111月中旬，苏军击败了德军的第25装甲师和第509重装甲营，抢占了法斯托夫。曼施坦因只好把德军装甲主力集中到日托米尔方向，准备对苏军发起反击，以阻击苏军的进攻势头，好为他重新布置防线争取时间。
这次反击战，曼施坦因计划投入3个军、15个师，重点攻击苏军的步兵部队。由于在之前战斗中，第7、13步兵军在之前战斗中遭到重创，有能力发起反击的只有第48装甲军。第48装甲军有5个装甲师、1个装甲掷弹兵师和一个步兵师，近600辆坦克，其中200多辆先进的虎式、豹式坦克。
苏军的乌克兰第一方面军也在基辅战役中损失惨重，在日托米尔方向，只有第38和第60集团军负责防御。11月15日，德军第48装甲军军长巴尔克将军，集中火力对苏军第38集团军发起了猛攻。巴尔克集中第1装甲师和“警卫旗队”师的400多辆坦克，对苏军第38集团军的中部防线发起猛攻。
苏军第38集团军缺少坦克装甲部队，完全不是德军的对手。德军第48装甲军迅速向苏军后方穿插，切断了基辅至日托米尔之间的公路，德军第1、7装甲师，与第68步兵师配合，对日托米尔城区发起进攻。11月20日，苏军突围，德军占领日托米尔。第38、60集团军虽然被迫后撤，但并没有遭到重创，在撤退至布鲁西洛夫之后，两个集团军很快就稳住了阵线，并部署新的防御阵地。
苏军的近卫第3坦克集团军也运动至布鲁西洛夫附近，第38集团军得到了强有力的支援。巴尔克调整了作战计划，下令第19装甲师从南面对布鲁西洛夫发起进攻，“警卫旗队”师从西面发起进攻。第一装甲师则沿着公路向基辅方向推进，第7装甲师向布鲁西洛夫北翼迂回，意图围歼整个布鲁西洛夫区域内的苏军。
虽然，德军第1、第19装甲师突破了第38集团军的防御阵地，但苏军第38集团军后撤8~10公里后，重新建立新的防御阵地，节节抵抗德军的装甲突击。苏军第60集团军在11月17日攻占科罗斯坚，第13集团军于11月18日攻占了奥夫鲁奇。11月25日，瓦图京用3个步兵集团军，对巴尔克的侧翼发起猛攻。
第60集团军也从北翼对德军发起反击，并直接威胁第48装甲军的侧翼，巴尔克被迫下令部队转向北翼，他试图攻占基辅的愿望落空了。从12月6日开始，第48装甲军就一直猛攻苏军第60集团军，经过近一个月的战斗，收复了科罗斯坚。德军宣布取得大胜，共击毙苏军2万，俘虏4800人，但德军第48装甲军自身也元气大伤。
12月23日，在寒冬来临，德军的兵力损耗严重的情况下，曼施坦因下令德军转入防御。而此时，瓦图京终于等来了新的援兵，包括近卫第一坦克集团军、第18集团军和坦克第一集团军。乌克兰第1方面军的总兵力达到83.1万人，1125辆坦克和自行火炮、1.1万门各式火炮、529架飞机。
在苏军第60集团军与德军第48装甲军在科罗斯坚激战时，瓦图京已经悄悄地把3个坦克集团军和2个诸兵种合成集团军集结至日托米尔，德军第8、19装甲师和“帝国”师的正面。1943年12月24日，在猛烈的炮火掩护之下，苏军集中优势兵力，对德军发起突击。德军第8、19装甲师根本不是苏军的对手，很快就被击溃，向西逃窜。
苏军收复布鲁西洛夫，开始向日托米尔方向推进。曼施坦因下令第48装甲军抽调3个装甲师增援，还从中央集团军群借来第18炮兵师，试图守住日托米尔。但苏军推进的速度太快了，当德军第48集团军的三个师和第18炮兵师赶到日托米尔时，第8、19装甲师已经被苏军分割包围，只有帝国师还在苦战。12月28日，苏军第一坦克集团猛攻日托米尔西南方向的卡扎京，德军的后路受到威胁。
为了避免陷入包围，巴尔克命令第一装甲师和第7装甲师对卡扎京发起反攻，但德军大量的坦克、装甲战车战损，能投入的装甲力量很有限，一番激战过后，“警卫旗队”师的防线被苏军突破，第1、7装甲师已无法重新占领卡扎京。德军从日托米尔撤退，12月31日，苏军收复日托米尔。日托米尔战役期间，苏军击毙4万余德军，俘虏4468人。