曼施坦因的反击企图早就被苏联人识破。11月12日起,瓦图京停止向日托米尔以西的进攻,令左翼部队转入防御,但右翼第13、第60集团军继续进攻。同时,又从布克林登陆场调集援兵。斯大林也调第1近卫集团军(12月15日起由格列奇科指挥)和第25坦克军前往支援。
没等苏军完成防御准备,11月15日,德第48装甲军的600辆坦克即沿着日托米尔至法斯托夫一线发起攻势。
德军长巴尔克部署如下:以第25装甲师和“帝国”师为右翼,第68步兵师和第7装甲师为左翼;拥有412辆坦克(199辆重型)的第1装甲师和“希特勒”师从中路发起主攻,企图切断基辅—日托米尔交通线。
防守这一线的苏第38集团军承受不住大量德国坦克的密集冲击,被迫向东北退却,导致其西北面的第60集团军左翼陷入孤立。11月17日,德第1装甲师和“希特勒”师抵达道路一线,于科罗斯特舍夫市以东切断了基辅—日托米尔公路。随后,“希特勒”师留在原地,掩护第1、7装甲师和第68步兵师转向西面,进攻日托米尔方向。11月17日夜,第1、7装甲师攻向有着漂亮圆顶房屋和旧教堂的日托米尔。