В результате были созданы условия для окружения этих групп по частям восточнее Киева. Это вынудило фон Манштейна вечером 15 сентября отдать приказ об отводе всех армий на линию Мелитополь, Днепр (до района выше Киева), Десна. После этого 6-я армия передавалась в состав группы армий «А», а ее 17-я армия отводилась из Кубани в Крым. Командующий группой армий «Юг», стремясь осложнить советским войскам преследование, приказал в зоне 20 — 30 км перед Днепром разрушить, уничтожить или вывезти в тыл все, что могло помочь им продолжать свое наступление на широком фронте.

Советские войска начали гонку за отходившими соединениями группы армий «Юг». Войска Северо-Кавказского фронта во взаимодействии с Черноморским флотом 16 сентября освободили Новороссийск, а вслед за тем была разгромлена вся таманская группировка противника. Армии Юго-Западного фронта к 22 сентября вышли на рубеж Новомосковск, восточнее Запорожья, а главные силы ударной группировки фронта достигли Днепра. Войска Южного фронта заняли рубеж западнее Орехова, р. Молочная, Мелитополь. Однако попытки соединений 5-й ударной и 2-й гвардейской армий с ходу прорвать вражескую оборону успеха не имели. К этому времени войска 5-й гвардейской армии Степного фронта освободили Полтаву, соединения 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта и 13-й армии Центрального фронта вышли к Днепру.

На этом завершилась Донбасская операция, в ходе которой войска Южного и Юго-Западного фронтов продвинулись на глубину до 300 км, разгромили 13 дивизий противника, создав благоприятные условия для освобождения Северной Таврии, Правобережной Украины и Крыма. Потери войск Юго-Западного и Южного фронта составили: безвозвратные — 66 166 человек, санитарные — 207 356 человек, 886 танков и САУ, 814 орудий и минометов, 327 самолетов.