Выполняя поставленную задачу по окружению польских войск в районе Киева, советские войска усилили свой натиск. Ударная группа 12-й армии развернула наступление на широком фронте. Ломая сопротивление противника, ее части 11 июня с боями переправились через р. Припять и овладели местечком Чернобыль и станцией Ирша, захватив свыше 300 пленных и железнодорожный эшелон с грузом. В это время подошла 73-я бригада 25-й стрелковой дивизии, которая с ходу вступила в бой. Подход частей 25-й Чапаевской дивизии значительно усилил ударную группу 12-й армии.

Ожесточенные бои развернулись в это время и на участке 14-й армии. Ее части несколько раз атаковали противника, засевшего в городе Гайсин. Поляки прилагали все усилия, чтобы остановить наступление 14-й армии. Они неоднократно предпринимали контратаки Бои в этом районе продолжались несколько дней, и утром 13 июня советские войска заняли Гайсин.

9 июня 1-я Конная армия начала наступление — на Киев, нанося удар с тыла по 3-й польской армии. В это время 12-я армия подходила к железной дороге Киев — Коростень в районе Бородянка — Тетерев; Фастовская группа заняла город Фастов, а 1-я Конная армия, выйдя в район Корнин — Ходорков — Войтовцы, создала для 3-й армии угрозу окружения. Вместе с частями 1-й Конной армии в тыл противника вышла и кавалерийская бригада Г. И. Котовского, перерезав шоссе Киев — Житомир. Положение 3-й польской армии оказалось катастрофическим. Она вынуждена была поспешно отступать. В связи с тем что войска Фастовской группы заняли Фастов, а 3-я польская армия начала отход из района Киева, командование Юго-Западного фронта посчитало дальнейшее продвижение Конной армии на восток излишним. Полагая, что войск 12-й армии и Фастовской группы будет достаточно для разгрома 3-й польской армии, 10 июня РВС Юго-Западного фронта приказал 1-й Конной армии повернуть на запад и выйти в район Житомир — Казатин для дальнейшего удара по тылам 6-й польской армии.[103]

В то время как советские конники вышли в тыл 3-й польской армии, части 12-й армии развернули наступление в районе Киева. 58-я стрелковая дивизия под командованием П.Е. Княгницкого, воспользовавшись отводом войск 3-й польской армии с восточного берега Днепра, в результате умело осуществленного маневра взяла в плен 350 человек и захватила большие трофеи 12 июня дивизия во взаимодействии с десантом Южной группы Днепровской флотилии вступила в Киев. Тем временем польское командование стремилось вывести основные силы своей 3-й армии из-под угрозы окружения. Для этого оно перебросило в район станций Бородянка и Ирша из Белоруссии 6-ю и 9-ю пехотные дивизии и отряды Булак-Балаховича, находившиеся в Чернобыльском районе. В районе Бородянки польские войска столкнулись с 12-й армией. Разгорелся ожесточенный бой. Исключительное упорство, мужество и отвагу в этих боях проявили бойцы и командиры 25-й Чапаевской дивизии, сражавшиеся с превосходящими силами противника.

11 июня 1-я Конная армия заняла Коростышев, на следующий день — Житомир, временно оставленный ею во время рейда по тылам киевской группировки войск противника. Убедившись, что 3-я польская армия постепенно пробивается на северо-запад и, получив соответствующие указания главкома, РВС Юго-Западного фронта 11 июня отдал приказ 1-й Конной армии двумя кавалерийскими дивизиями нанести удар через Радомысль на Иршу, где в это время 75-я бригада 25-й дивизии сражалась с частями 3-й польской армии, стремившейся избежать разгрома. Затем 1-я Конная армия совместно с частями 12-й армии должна была развивать наступление на Коростень.[104] Однако этот приказ поступил в штаб армии лишь 13 июня.

Стратегическая инициатива прочно перешла в руки советских войск, ближайшей целью которых было не допустить отхода 3-й польской армии на Коростень, отрезать ей путь к отступлению и нанести решающее поражение. 13 июня было решено расформировать Фастовскую группу. Ее 44-я дивизия вошла в состав 12-й армии, а 45-я дивизия была подчинена командованию 1-й Конной армии. В этот же день РВС Юго-Западного фронта вновь отдал приказ 1-й Конной армии, чтобы ее две дивизии форсированным маршем двинулись на Радомысль и Иршу. При этом командованию Конной армии указывалось на необходимость иметь в виду и дальнейшую задачу — наступление на Новоград-Волынский, Ровно.[105]

В 23 часа 13 июня Реввоенсовет 1-й Конной армии отдал приказ: «В кратчайший срок овладеть районом железнодорожного узла Коростень, уничтожая группу противника, отступающую от Киева по Житомирскому шоссе и по железной дороге на Коростень». Одновременно 1-я Конная должна была удерживать за собой район Житомира. Для этого армия была разделена на две временные оперативные группы. Первая под командованием К.Е. Ворошилова в составе 4-й и 14-й дивизий должна была как можно быстрее занять Коростень. Вторая группа под командованием С. М. Буденного (6-я и 11-я дивизии) должна была занимать и удерживать район Житомира.

На рассвете 14 июня группа Ворошилова двинулась на Коростень. В полдень развернулись упорные бои, так как противник стремился любой ценой задержать советскую конницу. Утром 15 июня части 14-й кавалерийской дивизии овладели Радомыслем. В этот же день из перехваченного оперативного приказа командования 3-й польской армии командованию 1-й Конной стало известно об отходе польских войск из района Киева на Коростень. В приказе говорилось об организации движения частей 3-й польской армии тремя колоннами и указывались маршруты движения войск. Это облегчало выполнение задачи нашим войскам. Нужно было бросить подвижные части на перерез отступавшему противнику. Однако за 11–12 июня основные части 3-й польской армии уже отошли в район Радомысль — Ирша и устойчивость польской обороны возросла. Создавшаяся обстановка позволила противнику вывести свои основные силы на Коростень. Позже польский Генеральный штаб писал по поводу выхода из кольца своей 3-й армии: «Охваченная с севера III польская армия сумела выйти из критического положения беспрепятственно, почти нигде не встречая противодействия конницы Буденного». В итоге 3-й польской армии удалось избежать полного разгрома.

Тем не менее прорыв 1-й Конной армией фронта польских войск на Украине позволил советским войскам захватить стратегическую инициативу. 15 июня 1920 г. войска Юго-Западного фронта начали преследовать отходившие на запад войска противника.[106] Поражение 3-й армии заставило польское командование с утра 13 июня начать отвод на запад 6-й армии. Советские войска, заняв Гайсин, начали преследовать отступавшие части. Особенно энергично действовала 8-я кавалерийская дивизия под командованием В.М. Примакова, входившая в состав 14-й армии. Она наносила врагу внезапные короткие удары по флангам и с тыла. 20 июня части 14-й армии овладели станциями Калиновка и Жмеринка. К 20 июня советские войска вышли на линию Житомир — Бердичев — Казатин — Винница.