在他们对面，苏军也察觉到了危险。瓦图京紧急命令第38集团军等部队，在基辅西南方向，仓促构筑防御阵地。朱可夫也开始从方面军的预备队中，调集增援力量。但由于苏军的兵力过于分散，这些增援，无法在第一时间全部到位。
一个巨大的战机窗口，向曼施坦因打开了。
11月15日，拂晓。
在坚硬如铁的乌克兰冻土上，德军第48装甲军的引擎，发出了沉闷的轰鸣。在短暂而猛烈的炮火准备后，德军的装甲矛头，从日托米尔方向，向着苏军第38集团军的薄弱防线，发起了闪电般的突击。
苏军的防御，几乎是在瞬间就被冲垮。第38集团军刚刚经历过残酷的攻城战，兵员和装备都未得到有效补充，他们根本没有预料到德军的反击会来得如此迅速和猛烈。
德军的坦克集群，在冰冻的平原上，以惊人的速度向前推进。曼施坦因的战术，在这一刻，发挥得淋漓尽致。他们绕开苏军的防御据点，直插其后方。在连续3天的猛攻之后，德军向前推进了约70公里，兵锋直指基辅西郊的法斯托夫地区——这里正是基辅守军最重要的后勤补给线。
苏军仓促退却，许多部队在混乱中被德军的快速穿插分割包围，损失了大量的物资和重装备。
到11月20日前后，德军成功收复了重要的交通枢纽——日托米尔市。连接基辅与日托米尔的公路和铁路，一度被德军切断。德军的宣传机器立刻大肆宣扬这次胜利，试图挽回在基辅失守后颜面尽失的局面。
这是自库尔斯克战役以来，德军在东线取得的最大一次战术胜利。基辅城内的苏军，陷入了极大的危机之中。
面对危局，朱可夫元帅再次展现了他作为“救火队员”的果决。他亲赴前线督战，严令后退的部队就地组织防御，同时，他向斯大林紧急请求增援，并将方面军中战斗力最强的第3近卫坦克军和第1近卫骑兵军等部队，火速向基辅西线调动。
一场决定基辅命运的拉锯战，即将展开。
曼施坦因的闪电突击，虽然取得了辉煌的开局，但很快，他就遇到了两个无法克服的敌人——后勤和苏军的韧性。
德军的推进，受制于日益枯竭的燃料和弹药。他们的补给线，被拉得过长，不断遭到苏联游击队和空军的袭扰。许多坦克，不是被击毁，而是因为耗尽了燃料，被迫停在了原地。
与此同时，苏军的增援部队，正源源不断地抵达前线。朱可夫将大量的反坦克炮兵团，集中部署到了基辅西线，形成了一道道坚固的反坦克防御地带。
德军的攻势，在苏军的“硬扛”之下，逐渐慢了下来。曼施坦因被迫调整战术，将大规模的纵深突击，改为“突击—收缩—再突击”的小规模骚扰战。他试图用这种方式，不断地给苏军“放血”，牵制其补给线，为自己争取更多的时间，等待奇迹般的增援。
苏军则针锋相对，他们依托乌克兰地区星罗棋布的河流与村镇作为天然据点，构筑了纵深的防御阵地。工兵部队，在夜间冒着严寒，拼命地修筑反坦克壕和永备火力点。
此时，天气也变得更加恶劣。雨雪交替，使得部分解冻的道路，又变得泥泞不堪。双方的后勤车队，都在这糟糕的天气中，损失惨重。
整个11月下旬，双方就在基辅以西这片几十公里的区域内，反复地拉锯、消耗。德军的进攻锐气，在一点一点地被磨掉。据战后统计，在这次反击战中，德军第48装甲军损失了超过30%的坦克。而苏军，虽然也付出了数万人阵亡和失踪的惨重代价，但他们的战线，在顽强的坚守下，逐渐稳定了下来。
曼施坦因的赌博，最终没能成功。他赢得了战术，却输给了时间和战略。
当曼施坦因的攻势陷入停滞时，朱可夫和瓦图京知道，轮到他们反击的时刻了。
12月初，在得到了斯大林的批准后，朱可夫下令，对日托米尔方向的德军，实施全面的冬季总反攻。刚刚抵达战场的第1坦克集团军、第3近卫坦克军，以及得到休整的第60集团军等，被编入了新的突击梯队。
12月5日，冬日的凌晨。苏军的炮火，再次覆盖了德军在日托米尔的阵地。这一次，攻守之势，彻底逆转。
在猛烈的炮火准备后，苏军的步兵和坦克，从多个方向，对德军的突出部，发起了向心攻击。德军的侧翼，在苏军的猛攻下，迅速崩溃。
曼施坦因的反应，依旧神速。在意识到无法守住日托米尔后，他果断下令，全线向西，后撤至更为有利的捷尔诺波尔—别尔季切夫一线，试图建立新的防线。
到12月10日前后，连接基辅与日托米尔的交通线，再度被苏军牢牢控制。
此时，乌克兰的严冬，终于降临。鹅毛大雪，封锁了所有的道路。德军的撤退，在暴雪中，变成了一场灾难。大量的车辆、火炮和装备，因为燃料耗尽或陷入雪地，被迫遗弃。而苏军，则利用他们更适应严寒气候的铁路和传统的马拉雪橇，接力运输补给，对德军展开了不依不饶的追击。
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