26 декабря 328-я стрелковая дивизия 1-й гвардейской армии овладела важным узлом сопротивления Радомышлем.

27 декабря ударные группировки фронта продолжали наступление, хотя противник резко усилил сопротивление на житомирском направлении. Введя в бой три дивизии 48-го танкового корпуса, переброшенные из района Малина, и 18-ю артиллерийскую дивизию, прибывшую из-под Белой Церкви, он предпринял многочисленные контратаки в районе Коростышева. Но все они были отбиты, и советские войска в течение дня вновь продвинулись на 25 км. Несколько медленнее продвигалась армия Леселидзе, преодолевавшая лесной массив восточнее Житомира. В полосе 1-й танковой армии 11-й гвардейский танковый корпус генерала А.Л. Гетмана обошел Казатин с северо-запада, а 8-й гвардейский мехкорпус генерала С.М. Кривошеина – с востока. 28 декабря город был в руках советских войск. Войска 13-й армии 29 декабря выбили противника из Коростеня.

Столь стремительное продвижение объясняется тем, что противостоящие войска были в первые же два дня разгромлены еще в тактической зоне обороны, а крупных тактических и оперативных резервов у германского командования не было.

Особенно серьезные потери понесли те немецкие дивизии, которые попали под танковый «каток» главной группировки фронта: 19-я и 25-я танковые, а также дивизии передовой линии – 68, 208, 291-я пехотные дивизии. Последней во взаимодействии с корпусной группой «Ц» пришлось отражать удар всей 13-й армии генерала Пухова, имевшей в своем составе 13 стрелковых дивизий, 2 отдельные танковые бригады и 25-й танковый корпус. Пленные из состава 208-й пехотной дивизии показали, что в первых же боях дивизия была почти полностью обескровлена и в ней осталось около 600 человек. Командир 13-го армейского корпуса докладывал, что его соединения фактически не существует: в дивизиях на передовой осталось всего лишь по 150 – 300 человек, а пехоты в целом – не более чем на один полк, солдаты измотаны.

Генерал Меллентин вспоминал: «Мы узнали, что 24-й танковый корпус потерпел поражение, что русские прорвались в районе Брусилова и теперь развивают прорыв. По имеющимся данным, они двигались к Житомиру, и 48-му танковому корпусу была поставлена задача задержать их продвижение… Танковые дивизии 24-го корпуса (8-я, 19-я и дивизия СС «Рейх») были переданы в наше распоряжение, но никто и понятия не имел, где они находятся и какие понесли потери. Мы полагали, что их удастся обнаружить где-нибудь в лесах восточнее Житомира. Во всяком случае, теперь мы были обязаны определить местонахождение этих несчастных дивизий и восстановить фронт… Спустя некоторое время штабу нашего корпуса удалось установить радиосвязь с 19-й танковой дивизией и передать приказ прорываться в район южнее Житомира… Я никогда не забуду этого необычного Рождества. Из 19-й дивизии мы приняли радиограмму: «Атакован 30 танками противника. Горючего нет. Помогите, помогите, помогите!» После чего связь прекратилась».

Что касается 25-й танковой, то в ней оставалось 30% личного состава при 20 танках, и в немецких документах она теперь значилась как «остатки дивизии».

Таким образом, прорыв тактической обороны на всех четырех участках был осуществлен в течение одного дня, а к исходу третьего дня операции все прорывы были объединены в общую брешь шириной до 200 км, и армии перешли к преследованию на широком фронте. Немецкую группировку, отступавшую из района Радомышля на Житомир, преследовали параллельными путями: с юго-востока – 3-я гвардейская танковая армия, а с северо-востока – 4-й гвардейский танковый корпус из фронтового резерва. Немцев, отходивших от Брусилова на Казатин, преследовала 1-я танковая армия.