Утром 15 октября войска фронта после мощной артиллерийской и авиационной подготовки перешли в наступление. Сражение с первых часов приняло упорный характер, противник сразу же стал предпринимать контратаки при поддержке танков и авиации. Скрытное сосредоточение советских войск на исходном рубеже принесло свои плоды – имеющимися силами немецкое командование не могло удержать свои позиции. Для ускорения прорыва И. С. Конев приказал во второй половине дня ввести в сражение всю ударную группировку – 5-ю гвардейскую танковую армию и 7-й гвардейский механизированный корпус. В течение дня 16 октября прорыв обороны противника был завершен, началось наступление на Пятихатку. Для поддержки ударной группировки фронта были выделены в полном составе по одному бомбардировочному и штурмовому авиационным корпусам генералов И. С. Полбина и В. Г. Рязанова. 19 октября 5-я гвардейская танковая армия освободила город и крупный железнодорожный узел Пятихатки. Чтобы остановить советское наступление, Манштейн спешно ввел в бой сразу четыре дивизии, прибывшие из Италии и Франции, а оставшиеся резервы спешно перебросил к Кривому Рогу. Этим удалось замедлить темпы советского наступления.
К 23 октября 5-я гвардейская танковая армия основными силами вышла на подступы к Кривому Рогу, а частью сил – в район Митрофановки, в 30 км восточнее Кировограда. Более того, утром этого же дня части советского 18-го танкового корпуса с десантом пехоты ворвались в Кривой Рог. На улицах города разгорелся жестокий бой, в котором советские танки понесли значительные потери. Они не смогли закрепиться в городе и были вытеснены из него примерно на 8–10 км к северу. Пехотные части 37-й армии также были задержаны контратаками танков противника.
Еще одной причиной неудачи стало вмешательство И. В. Сталина, который в разгар сражения, 22 октября, потребовал развивать наступление по расходящимся направлениям: одновременно нанести удар на Кировоград. Это ослабило силу советского наступления на Кривой Рог.
Конев предпринял попытку обойти Кривой Рог с северо-запада, и этот план частично удался – группировка противника была глубоко охвачена. Однако и там Манштейн ввел в бой две новые танковые дивизии и перебросил с других участков еще две дивизии, успев воспользоваться задержкой советских войск в Кривом Роге. Эта группировка при массированной поддержке авиации с утра 28 октября перешла в наступление. Северо-западнее Кривого Рога в долине реки Ингулец развернулось крупное сражение. Немцам удалось оттеснить войска 37-й и 7-й гвардейской армий на 15–20 км, но большего они добиться не смогли. Только за первые два дня боя было подбито 150 немецких танков. Большие потери понесли и советские войска. Также немецкие войска смогли остановить советский натиск на Кировоград.
В дальнейшем советские войска вели успешные бои по расширению достигнутого прорыва, но повторная попытка овладеть Кривым Рогом не удалась. Здесь завязались затяжные, но почти безуспешные тяжелые бои. В этой ситуации Конев обратился к Сталину с просьбой об окончании операции для подтягивания тылов и переформирования войск, мотивируя это тем, что в условиях начавшейся распутицы в дополнение к этим факторам практически срывается и снабжение армий горючим, боеприпасами, продовольствием. При этом Конев предложил для улучшения положения фронта перенести главный удар на другое направление и подготовить Знаменскую операцию. Сталин согласился, и 23 ноября войска 2-го Украинского фронта перешли к обороне.
