這樣的戰鬥持續到了9月7日。波波夫確信莫德爾的注意力已經被左翼紅軍所吸引，命令右翼第50集團軍（博爾金中將指揮）發動進攻。為了達成突然性，紅軍僅進行了短時間的轟炸和20分鍾急襲射擊，隨即就發起了衝擊。進攻獲得成功，很快突入德軍縱深達70公裏。為擴張戰果，第2近衛騎兵軍進入突破口，於11日強渡傑斯納河，在右岸茹科夫卡地區建立橋頭堡。蘇聯騎兵繼續策馬疾進，一氣切斷了斯摩棱斯克——布良斯克鐵路線。
蘇軍的行動從北翼威脅勒著莫德爾的安全，呈現出迂回布良斯克的態勢。莫德爾支撐不住，隻得將第9集團軍撤往傑斯納河對岸。蘇第15空軍集團軍追著莫德爾的撤退縱隊不斷轟炸，並襲擊了傑斯納河各渡口。
蘇軍第3、第11集團軍乘機發起進攻。第11近衛集團軍也從布良斯克以南渡過傑斯納河。布良斯克陷入被包圍的威脅，迫使莫德爾繼續撤退。9月17日，蘇第11集團軍奪回了布良斯克和別日察。
莫德爾已無法立足於傑斯納河，隻得奉克盧格之命撤向索日河和普隆尼亞河的“黑豹”防線。
9月20日，波波夫的整個布良斯克方麵軍都發起了追擊。為了搶先進抵索日河，波波夫以第2近衛騎兵軍、第1坦克軍，一些反坦克炮部隊和1個火箭炮旅組成方麵軍快速集群，由方麵軍副司令卡紮科夫中將指揮。快速集群來勢凶猛，撤退德軍往往來不及占據支撐點就被擊潰。
9月26日，集群先頭分隊已經進抵索日河畔的維特卡火車站，但兵力不多，無力建立對岸橋頭堡。
與此同時，波波夫右翼的第50集團軍也進入白俄羅斯境內，於9月26日解放了霍季姆斯克市。這是紅軍奪回的第一個白俄羅斯區中心城市。
10月1-3日前，布良斯克方麵軍陸續進抵索日河和普隆尼亞河，開始著手奪取右岸登陸場。布良斯克方麵軍還與南麵進展迅猛的中央方麵軍一道，威脅著東線德軍南北間的重要交通樞紐——戈梅利。
曆時一個多月的布良斯克戰役，紅軍投入兵力約53萬，造成純減員13033人，傷43624人。
莫德爾第9集團軍上報的9月份損失為15488人。
考慮到德軍9月傷亡報告的整體失真，莫德爾的傷亡數字也未必可靠。但其左翼相當一部分損失，卻與布良斯克戰役無關。
波波夫的戰役表現相當突出。在啃不動莫德爾防線的情況下，他借道友鄰，以奇兵突破莫德爾的側翼，乘其動搖之際，全麵瓦解了對手的防禦。但波波夫的兵力實在消耗過大，至戰役尾聲已後繼乏力，使莫德爾有機會撤到“黑豹”防線，再次建起了完整的正麵。但波波夫的戰略成就已經夠大了。他不僅奪回了布良斯克，而且在其擊退莫德爾的過程中，中央集團軍群在羅斯拉夫利和斯摩棱斯克方向的戰線，也受到牽動而瓦解。
5、奪取斯摩棱斯克
1943年9月中旬，由於莫德爾第9集團軍在布良斯克的防禦逐漸瓦解，導致中央集團軍群全線動搖。同時曼施坦因也竭力要求克盧格後撤以騰出兵力給他，德軍繼續堅守斯摩棱斯克的意義受到了質疑。
紅軍加裏寧方麵軍和西方麵軍趁機向斯摩棱斯克和羅斯拉夫利發起新的攻勢。俄國人這次勢在必得。
北麵，葉廖緬科大將指揮的加裏寧方麵軍，在8月至9月初進展緩慢，僅於杜霍夫希納方向楔入德防禦6-7公裏。9月7日後，葉廖緬科得到斯大林許可暫停了幾天，同時製定出新的進攻計劃：
加裏寧方麵軍左翼攻擊杜霍夫希納方向。葉廖緬科企圖從這裏打開南下斯摩棱斯克的道路，同時收拾掉杜霍夫希納——傑米多夫德軍約6個師。然後與友鄰西方麵軍右翼一道，向魯德尼亞、維捷布斯克方向推進。
參戰兵力包括第39集團軍、第43集團軍一部兵力。計12個步兵師，由空軍第3集團軍配合。其中，麵向杜霍夫希納的第39集團軍負責主攻。
葉廖緬科大將的敵人主要是德第3裝甲集團軍右翼和第4集團軍左翼。前者由於抽調部隊支援第4集團軍，9月初兵力隻剩下10個師，員額當月下降為23萬人。
而在紅軍預定主攻的杜霍夫希納方向，德國人部署有第4集團軍第27軍。其9月中旬編成包括6個師（含第25裝甲步兵師）和黨衛軍“帝國領袖”旅，以及1個步兵師的部分兵力。為了打垮這個軍，紅軍在9公裏突破地段上，每公裏平均擺上了128門火炮迫擊炮和24輛坦克！
第27軍9月15日編成：
256、197、52、246、113步兵師，第25裝甲步兵師，黨衛軍“帝國領袖”旅，第129步兵師一部9月14日晨，第39集團軍和第43集團軍左翼開始進攻。集中轟擊的炮火和大群坦克從多處衝破了德軍第一防禦地帶。順著這些破口，蘇軍到日終前已經推進了3-13公裏，並把破口拓寬為30公裏！經過其後四天窮追猛打，德軍防禦終於土崩瓦解！
9月18日夜，蘇第39集團軍攻占了杜霍夫希納，打開了斯摩棱斯克的北部門戶！9月21日，第43集團軍又占領了傑米多夫。龐大的紅軍集團由北麵逼向斯摩棱斯克。
受此威脅，已在該方向喪失主要陣地的德軍隻得西撤。葉廖緬科的軍團突破森林沼澤的阻擾，窮追不舍，又於9月29日攻占了交通樞紐魯德尼亞，逼向了維捷布斯克！10月2日前，加裏寧方麵軍左翼進抵波尼佐維耶以西、魯德尼亞一線。但德第3裝甲集團軍右翼也撤退至此，再度建立起防線阻止紅軍推進。
葉廖緬科從斯摩棱斯克以北猛攻的同時，斯摩棱斯克正（偏北）麵和南麵的西方麵軍也發起了最後的衝擊！
通過此前的艱苦戰鬥，索科洛夫斯基上將的西方麵軍9月初已前出至烏斯特羅姆河、傑斯納河一線，縮短了與斯摩棱斯克和羅斯拉夫利的距離。經過幾天休整，索科洛夫斯基決心一鼓作氣，拿下這兩個城市！並向奧爾沙、莫吉廖夫發展。
他計劃以一係列正麵突擊，分割並各個擊潰當麵德軍：
方麵軍中部集團：近衛第10集團軍，第21、33集團軍向波奇諾克、奧爾沙方向實施主攻，從中央瓦解德軍防禦；右翼第31、第5、第68集團軍一路排開，從北至南全麵推向斯摩棱斯克；左翼第49、第10集團軍負責拿下羅斯拉夫利。
為了增強突擊威力，索科洛夫斯基更大限度的將兵力集中到狹窄正麵，突破地段每公裏正麵火炮迫擊炮達150門，坦克和自行火炮48輛，比葉廖緬科還要誇張！
9月15日戰鬥打響！經凶猛炮擊和空襲後，蘇軍發起衝擊。此前頑強阻擊達1個多月的德軍，終於也到了強弩之末，幾乎在所有方向都被紅軍突破。俄國人拚命擴張戰果，將近衛坦克第2軍投入第21集團軍戰區；右翼第31集團軍於9月16日攻占亞爾采沃市；左翼第10集團軍強渡了傑斯納河。
德軍一麵向斯摩棱斯克撤退，一麵依托沿途據點逐次抗擊。9月16日，第505重型坦克營（26輛“虎”）也開到羅斯拉夫利——斯摩棱斯克地區，以重甲重炮打擊進攻蘇軍。9月19-21日，戰鬥趨於白熱化！但形勢已無法逆轉。西方麵軍中部突擊集團以坦克和騎兵為前導，於9月23日切斷了斯摩棱斯克一羅斯拉夫利鐵路（地點位於波奇諾克）。南北德軍戰線被撕裂。9月24日，紅軍進抵索日河，從南麵包抄斯摩棱斯克。
同時，蘇軍右翼從東麵逼近斯摩棱斯克東。
其第31、第5集團軍強渡第聶伯河後，於9月24日夜間衝入城內。次日淩晨，古老的斯摩棱斯克獲得解放。德軍撤退前進行了大規模破壞，留下的隻有斷壁殘垣和大量250公斤重的延時炸彈。
殘破的護簷板被溫和的秋風吹得劈叭作響。幸存居民盡量避開還在燃燒房屋的炙熱。火光在夜間投射在第聶伯河上，宛如鮮血流淌。占領該城的紅軍主力沒有多久停留，又匆匆開向奧爾沙方向。
同一天，紅軍第10集團軍終於攻克了羅斯拉夫利，隨後向莫吉廖夫方向發展。莫吉廖夫東北列寧諾戰鬥中，還投入了蘇聯組建的波蘭第1師。隨著紅軍和波蘭的距離越來越近，斯大林開始為更長遠的政治戰略布局了。
為了慶祝斯摩棱斯克和羅斯拉夫爾解放，莫斯科以224門大炮齊鳴20響。
克盧格元帥則率德中央集團軍群於10月1日退到新陣地，組織起堅固防禦，以保護維捷布斯克、奧爾沙和莫吉廖夫方向。尾隨而來的紅軍渡過索日河，至10月2日前進抵韋利日以西、魯德尼亞、德裏賓及沿普羅尼亞河一線，進入白俄羅斯東部。
斯大林原打算一鼓作氣，於10月9-12日奪取維捷布斯克、奧爾沙和莫吉廖夫。但部隊失血嚴重，鐵路被破壞而公路又太糟，導致前線戰力衰退且難以補給。德方克盧格又建立了新戰線，一時難以突破。重新審視形勢後，斯大林放棄了原計劃，於10月2日下令紅軍就地轉入防禦。
耗時近2個月的斯摩棱斯克戰役至此結束。
最初1個多月，德軍依托堅固且層層布防的陣地頑強抗擊，紅軍進展緩慢卻傷亡巨大。其後因為斯摩棱斯克以南的莫德爾被擊退，加上東線總態勢惡化，德軍無心戀戰，令紅軍得以在最後半個月內推進135-145公裏，戰役全期共進展200-250公裏，奪回了加裏寧州一部和斯摩棱斯克州全境，建立起未來收複整個白俄羅斯的基地。
但德軍不僅保有完備戰線，並通過此前的頑強逐次防禦，在斯摩棱斯克交戰中殺傷蘇軍45萬餘人，摧毀其坦克自行火炮863輛，火炮迫擊炮234門，飛機303架。如果再加上布良斯克方麵軍的損失，則紅軍為擊退克盧格付出的代價超過50萬人。
蘇聯估計德軍在斯摩棱斯克會戰中的損失為10萬人。而德第4集團軍和第3裝甲集團軍上報的8、9月總損失為60032人（8月39339人，9月20693人）。第9集團軍8月21日——9月底損失20151人。合計8萬餘人。其中除斯摩棱斯克外，還包括了布良斯克方向的傷亡。
上述數字依據的十日報告，在9月份缺漏率達55%。因此德軍的實際損失可能和蘇方估計得差不多。而加入布良斯克方向的總損失，估計在12萬左右。雙方的傷亡交換率約4：1.
克盧格能夠在斯摩棱斯克撐這麼久時間，並大量殺傷紅軍，首先得益於堅固禦陣地。再就是撤出奧廖爾突出部後的莫德爾，為他提供了不少機動兵力。但所謂成也蕭何，敗也蕭何，克盧格的防禦瓦解，卻也是從莫德爾開始的。盡管如此，克盧格和莫德爾的撤退依然相當穩健，尤其是重組新防線的速度極快。看起來，克盧格的縱深預設陣地似乎要比曼施坦因完善，而他以後衛實施的遲滯性反擊，雖然不如曼施坦因那樣強大且集中，卻對撤退的保護更為全麵一些。
考慮到克盧格和莫德爾掌握的裝甲兵力以及空軍遠遠不及曼施坦因，其戰術成就自然更值得肯定。非但如此，克盧格實施艱苦防禦的同時，僅8月底至9月底就抽調10個師支援南線。由於大量兵力被派給曼施坦因，一些側翼兵力又被劃給了南方和北方集團軍群，加上奧廖爾——布良斯克——斯摩棱斯克的巨大損失（約22萬人），從7月下旬至10月初中旬，克盧格的總兵力從125萬餘下降為92萬餘，野戰師數量由75個減少為54個。