進攻開始後，巴爾克卻大失所望。“希特勒”師由正麵向布魯西洛夫的進攻完全失敗，據說這是該師戰爭中第一次未能完成戰術任務。德軍在側翼發展卻較為順利，第1裝甲師和第19裝甲師分別突破蘇軍兩翼，但這兩個師卻並沒有立刻封閉包圍圈，而是在11月20日夜停頓了下來。
巴爾克對此大發雷霆，強令第1、19裝甲師繼續進攻，圍殲當麵蘇軍。但戰機稍縱即逝，蘇聯人很快采取措施，將布魯西洛夫地區的軍官和技術兵員首先撤了出去。11月23日，蘇第38集團軍最終放棄了布魯西洛夫市，退到城東8-10公裏處設防。同時，大量援軍陸續抵達，包括大本營預備隊調來的近衛第1集團軍一個步兵軍。
來自布克林登陸場的第40集團軍、第27集團軍一部，早在11月15-17日就調至法斯托夫、特裏波利耶地段，充實了蘇軍的整個防禦縱深。
巴爾克雖然在布魯西洛夫捕獲了一些俘虜，153輛坦克和320門炮，卻也清楚蘇軍骨幹並未受到重創。11月25日，瓦圖京以3個步兵軍由拉耶夫卡、博羅夫卡地域，向布魯西洛夫德軍的翼側實施了反擊。數日激戰結果更使巴爾克明白，繼續向基輔推進幾乎是不可能的事情。11月26日，天氣驟然變冷，泥雪漿化的地麵難以通行，進一步毀滅了德軍向東推進的希望。至11月30日前，此處戰線穩定在切爾尼亞霍夫、拉多梅什利、斯塔維謝、尤羅夫卡一線。
3、第48裝甲軍轉向
德軍向瓦圖京左翼反攻期間，瓦圖京的右翼依然在向前推進。11月17日，蘇第60集團軍攻占了科羅斯堅；11月18日，第13集團軍趕走了奧夫魯奇的德軍。南方集團軍群與中央集團軍群的聯係於此被切斷。
蘇第60集團軍左翼，也在日托米爾——拉多梅什利公路以北站穩腳跟，威脅著德第48裝甲軍的側翼。曼施坦因決定消除這個威脅。11月30日，第48裝甲軍奉命突襲日托米爾——拉多梅什利蘇軍的右翼，從西向東實施攻擊。
盡管巴爾克對這一線蘇軍的防禦狀況並不了解，還是迅速做出了部署：第68步兵師由日托米爾攻擊蘇軍右翼，該師左側展開了“希特勒”師和第1、7裝甲師。第13軍左翼也將配合行動。
按照計劃，“希特勒”師和第1裝甲師先頭應於6時穿過日托米爾——科羅斯堅公路，最左側的第7裝甲師，則向東北方實施深遠的迂回突擊，以求插入蘇軍縱深。由於沿途路況很差，沒有給第7裝甲師配屬重型坦克。
巴爾克此次計劃成功的關鍵，就是第7裝甲師的深遠迂回。為了保證進攻的突然性，德軍沒有派出偵察部隊，裝甲師夜間才進入出發陣地。
即使在日托米爾以北搶修道路橋梁的工兵和裝甲車也沒有得到戰鬥部隊掩護。攻勢將得到德國空軍的大力配合，第8航空軍司令塞德曼幹脆把指揮所設到第48裝甲軍指揮所附近。
12月6日6時，德軍3個裝甲師越過了日托米爾——科羅斯堅公路。蘇軍雖沿公路構築了陣地，但尚未完工。第4裝甲集團軍集中起所有可用的炮兵營，1個火箭炮旅和1輛裝甲列車，動用各種口徑（最大320毫米）的火炮和火箭炮，對著脆弱的紅軍防線一頓狂轟濫炸。隨後，數百輛坦克投入進攻。第8航空軍聯絡官坐在裝甲車內，緊跟坦克縱隊，隨時召喚飛機以壓製蘇軍的反抗。蘇軍抵抗一番，終歸經不住強有力的衝擊，防禦迅速被打亂。德軍甚至截聽到蘇軍無線電通話中的罵娘。
戰鬥至中午，德軍的攻擊取得勝利，攻取了第60集團軍司令部。至傍晚，已突入縱深30多公裏。12月7日夜間，“希特勒”師取得很大突破，但燃料幾乎耗盡，戰車也損壞眾多。第1裝甲師推進到捷捷列夫河，第7裝甲師消滅伊爾沙河沿岸馬林登陸場。12月9日，德方宣稱兩河間蘇軍已被肅清，並以第13軍鞏固住了陣地。
但在馬林地域，蘇軍的抵抗卻持續到了12月18日，其第4近衛坦克軍不斷出擊，激戰過後，雙方被摧毀的戰車堆積遍野。德軍無力繼續北上，隻好回過頭來以第1裝甲師和“希特勒”師肅清拉多梅什利附近的蘇軍。隨後，消耗嚴重的裝甲部隊退出一線。至12月15日，德第13軍在捷捷列夫河和伊爾沙河一線的陣地穩定下來。
利用第48裝甲軍的進攻，德第59軍乘機奪回了科羅斯堅。同時，德方偵察發現，蘇軍第60集團軍正在科羅斯堅與馬林之間的梅列尼地區集結兵力，企圖攻擊德第59、13軍的結合部。但據蘇聯戰後發布的資料，第60集團軍在科羅斯堅方向進行的是偽裝集結。俄國人營造出有大量步兵和坦克的假象，為的是吸引德軍的注意力，保證紅軍攻擊部隊集中在真正的主攻方向：基輔以西。
巴爾克卻對蘇軍將從梅列尼發起強大攻勢深信不疑，決心搶先下手。他先以第7裝甲師由馬林地域渡過伊爾沙河，建立登陸場。然後，令第1裝甲師和“希特勒”師以兩次夜行軍潛入科羅斯堅以南。這樣，德軍就從兩個方麵，建立起夾擊梅列尼的進攻出發陣地。按照德方估計，這裏有1個蘇聯軍的兵力。
12月16日9時，第1裝甲師和“希特勒”師準時占領出發陣地。為支援“希特勒”師，德軍集中起30個炮兵連和1個火箭炮旅。炮擊過後，“希特勒”師和第1裝甲師一道出擊。德軍根據進展情況，不斷改變炮火支援的方向。“希特勒”師和第1裝甲師的步兵和坦克，不僅在本師範圍內協同，還根據情況支援友鄰的戰鬥。西麵的第7裝甲師也取得了突破。至12月16日晚，德軍確信梅列尼合圍戰將獲得成功。
但情況並不那麼簡單。自反擊開始以來，德軍各部隊都苦戰了一個月左右。即使以滿員陣容投入的新銳兵團，戰力也已衰竭殆盡。如“希特勒”師，原有的227輛坦克隻剩下160輛，其中可用的僅20輛（含3輛“虎”）；原本足額的裝甲步兵團，兵員也下降為平均500人。12月21日起，蘇軍又發動了大規模反擊！巴爾克依然不想放棄，命令“希特勒”師務必攻占梅列尼，並與第7裝甲師會合。但在12月22日，“希特勒”師的進攻完全失敗，第1裝甲師也遭到了蘇軍強有力的坦克衝擊。
巴爾克終於意識到實力不夠，於12月23日抽回兩翼，全線轉入防禦。12月24日這天，沮喪的“希特勒”師坦克手燒毀了7輛無法回收的“虎”式坦克。該師帶來反擊的27輛“虎”，至此已有11輛全毀。
4、反擊的總結
曼施坦因以超豪華陣容的兵團和指揮官發動的反擊戰，就這樣黯然結束了。為了證明1個多月的苦戰並非毫無意義，第4裝甲集團軍宣布了戰果：擊斃蘇軍2萬，俘虜4800人，繳獲和毀傷坦克603輛，火炮300門，反坦克炮1200門。
根據蘇方的統計，11月13日——12月22日，第1烏克蘭方麵軍純減員26443人，傷61030人。比較看來，德方此次發布的人員殺傷戰果還比較準確。
但德國人自己也很清楚，上述戰果並不顯著。12月被抓獲的蘇軍戰俘中，一半是15-18歲的少年，最小13歲；另一半則是亞洲人或者老頭子；罕有青壯士兵。這固然與蘇聯新兵質量下降有關，但也證明曼施坦因的反擊未能消滅多少蘇軍基幹。
為了對付這些小孩和老頭子，德國陸軍的精英卻遭到了不可挽回的損失。僅“希特勒”師就喪失了數千名步兵，全毀坦克60餘輛（含11輛“虎”）。傷亡之慘，甚至超過了“城堡”行動。沒有德第4裝甲集團軍該階段總損失的相關數據，但以“希特勒”師的損失推而廣之，即使再打上些折扣，其總數估計也相當可觀。
曼施坦因等人還可以為其精銳部隊的表現自我陶醉一番，但這種表現的實際意義卻大大掉價了。一個多月的攻勢，最優秀的德軍兵團、強大的坦克部隊，也不過前進了35-40公裏，從蘇軍推進最遠的戰線處拿回了兩個交通據點（日托米爾和科羅斯堅）。基輔離他們依然遙遠。
曼施坦因的最主要企圖：擊潰紅軍進攻鋒芒，穩定基輔以西戰線的任務，則根本沒有完成。由於瓦圖京沒有動用太多戰略預備隊，就擋住了德軍的攻勢，斯大林增援給他的近衛第1集團軍、第18集團軍和坦克第1集團軍，得以集結成更強大的攻擊軍團。蘇軍還從新解放區得到了一些補充。至德軍反擊結束，烏克蘭第1方麵軍總兵力增強為83.1萬人，火炮和迫擊炮約11400門，坦克和自行火炮1125輛，作戰飛機529架！