К началу октября немецкое командование сконцентрировало против Воронежского фронта 30 дивизий, из них 7 танковых, что составляло почти половину соединений группы армий «Юг». Это была мощная группировка, к слову, примерно таким же количеством войск противник располагал на южном фасе Курской дуги.

Сталину не терпелось освободить Киев. Он постоянно подгонял Ватутина. 29 сентября Ставка передала Воронежскому фронту 60-ю армию Черняховского и 13-ю армию Пухова, раньше входивших в состав Центрального фронта. Всё это было сделано с целью улучшения управления и усиления группировки войск Воронежского фронта. Правда, этой же директивой от Ватутина передали Степному фронту 52-ю и 4-ю гвардейскую армии.

При планировании операции Николай Федорович сделал ставку на Букринский плацдарм, поскольку он был расположен ближе к Киеву. Да и захват его прошел успешно, на нём удалось сосредоточить значительное количество войск, включая 3-ю гвардейскую танковую армию генерал-лейтенанта П. С. Рыбалко. Но были и минусы — это сильно пересеченная местность, вся покрытая поросшими холмами, изрезанная крутыми обрывами и оврагами. Все эти естественные препятствия мешали манёвру войск, особенно танковым соединениям. В то же время они облегчали немцам оборону. На тот момент противник подтянул сюда до десяти дивизий, из них пять танковых.

Опытный Жуков, являвшийся представителем Ставки на Воронежском и Степном фронтах, засомневался в правильности выбора Ватутиным направления главного удара. 5 октября Николай Федорович получил от Жукова записку, в котором тот изложил свои доводы:

«Вводить [3-ю гвардейскую] танковую армию раньше, чем будет захвачен рубеж выс. 175,2 высоты, прилегающей к западной части Вел. Букрин, Мал. Букрин, Колесище, выс. 209,7, невозможно по следующим причинам:

1. Глубина обороны противника сейчас эшелонирована до Мал. Букрина включительно.

2. Местность настолько пересечена, что танковая армия вынуждена будет двигаться только по тропинкам и дорогам, преодолевая на своём пути большие крутизны дорог.

3. Маневр её по фронту с целью обходов будет невозможен из-за характера местности.

4. Тактическую оборону включительно до Мал. Букрин нужно сломать артиллерией и пехотой с танками поддержки и самоходными орудиями. Только с захватом вышеуказанной линии танковая армия должна обогнать боевые порядки пехоты. Более ранний ввод её на этой местности погубит армию».

Но Николай Федорович настаивал на своем варианте наступления. Что двигало им? Ответ лежит на поверхности: на Букринский плацдарм уже были стянуты основные силы фронта, их переброска на новый участок требовала затрат и времени. Кроме того, другие плацдармы были в разы меньше Букринского, и развернуть там большую группировку не представлялось возможным. Об этом Ватутин не единожды говорил с Жуковым и сумел его убедить атаковать с Букринского плацдарма.

Наступление войск фронта началось 12 октября. После артиллерийской и авиационной подготовки вперёд пошли 47, 40 и 27-я армии и сразу же натолкнулись на ожесточённое сопротивление немцев. Ввод Ватутиным 3-й танковой армии также не помог «прорубить» глубоко эшелонированную оборону противника. В первый день наступления войска сумели продвинуться на разных участках всего лишь на 1—8 километров.

К сожалению, не принесли успеха и последующие дни. Такое положение дел не устраивало Ватутина. В ночь на 15 октября он в ряде своих распоряжений жёстко потребовал выполнения армиями возложенных на них задач. В шифрограмме на имя командующего 38-й армией генерал-полковника К. С. Москаленко, подписанной в 1.50, Николай Федорович указывал:

«Действия армии медлительны и недостаточно организованны. Назначенные сроки наступления по несколько раз изменяются, переносятся без особых на то причин без разрешения Военного Совета фронта.

Приказываю наступление всеми силами продолжать с утра 15.10.43 г. и не допускать отмеченных выше недочётов.

Быстро и организованно ввести в бой Кравченко (корпус указать) и совместно со стрелковыми дивизиями разгромить противника на подступах к Киеву. В дальнейшем стремительной атакой овладеть Киевом».

Шифротелеграмму аналогичного содержания, подписанную Ватутиным, получил в ту же ночь и командующий 60-й армией генерал-лейтенант И. Д. Черняховский. В ней говорилось: «Войска армии почти на всех участках успеха не имеют, топчутся на месте. Главной из причин является распыление сил и средств вместо того, чтобы на участке каждого наступающего соединения сосредоточивать превосходство сил на главных направлениях и создать большую плотность артиллерийского и миномётного огня на участке главного удара.

Если Вы не примете решительных мер для проталкивания 1-го гвардейского кавкорпуса в глубину противника, то есть опасность, что кавкорпус превратится в обычное стрелковое соединение и будет истощен в бесплодных лобовых атаках, совершенно потеряет свою роль как подвижно-маневренное соединение. Приказываю:

1. Наметить и организовать прорыв фронта противника на узком участке, создав плотность артогня не менее 150 стволов на один километр фронта. На этом же участке массированно использовать танки, во что бы то ни стало прорвать фронт обороны противника и пропустить 1-й гвардейский кавалерийский корпус для развития успеха.

2. Во всех наступающих соединениях четко выражать участок и направление главного удара и обеспечивать на них превосходство сил и большую плотность огня.

3. Исполнение и Ваши мероприятия донести».