Однако даже эти успехи русских, отбросивших в течение двух месяцев немецкие войска на 200 км к западу и причинивших немецким армиям такие тяжелые потери, были намного превзойдены новым наступлением, предпринятым в конце августа армиями Степного, Воронежского и Центрального фронтов против 8-й полевой и 4-й танковой армий, входивших в группу армий «Юг», а также против примыкавшей к ним с севера 2-й армии из состава группы армий «Центр». Особенно быстро это наступление развивалось в западном направлении между Полтавой и Рыльском. Главный удар был нанесен по войскам 4-й танковой армии и левому флангу 8-й армии. Оборона 4-й танковой армии оказалась прорванной не только на тактическую, но и на оперативную глубину, в результате чего эта армия в начале сентября даже при отступлении не смогла восстановить целостности своего фронта. После того как она к 12 сентября была отброшена до Прилук и Конотопа и противник двумя днями позже вышел к Нежину, командующий армией получил приказ отвести разрозненные остатки армии за Днепр. В сводке германского верховного командования от 16 сентября, правда, утверждалось, что русским, несмотря на их большое численное превосходство, не удалось прорвать оборону и добиться успехов оперативного масштаба, тем не менее пришлось все-таки признать, что проводится крупное сокращение линии фронта, что позволит создать новые резервы. К 27 сентября 8-я полевая и соседняя с ней 1-я танковая армии отошли за Днепр, заняв оборону на его правом берегу от Кременчуга до района южнее Киева, 4-ю танковую армию, еще раз приостановившую на короткое время на Десне продвижение русских, также удалось переправить через Днепр севернее и южнее Киева и организовать за Днепром неглубокую, но сплошную оборону. Однако связь с правым крылом группы армий «Центр» у слияния Днепра и Припяти была потеряна.