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。

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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。

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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。

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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。