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(9月7日 – 10月2日)
在9月7日至9月14日的一个星期，苏军再次得到增援，并正准备再次进攻。苏联最高统帅部的下一个目标是主要城市斯摩棱斯克、维捷布斯克和奥尔沙。该行动于9月14日与斯摩棱斯克-罗斯拉夫尔进攻行动(Смоленско - Рославльская наступательная операция)一同进行，由加里宁方面军的左翼和西方面军共同实施。经过初步炮击后，苏军试图冲破德国国防军的防线。
在加里宁方面军的进攻区域，红军在日终前造成了一个30公里(19英里)阔，3至13公里(2-8英里)深的突出部。经过4天的战斗，苏军数个狙击师攻占了斯摩棱斯克前面另一个重要城市杜霍夫希纳。
在西方面军的进攻区域，攻势比加里宁方面军晚一天展开，也成功地取得突破，发展出一个20公里(12英里)阔和10公里(6英里)深的突出部。同一天，亚尔采沃，一个在斯摩棱斯克附近重要的铁路枢纽，被苏军解放。在西方面军的左翼，苏军数个狙击师到达杰斯纳河进行渡河攻击，并在河西岸建立了若干桥头堡。
结果，德国国防军保卫斯摩棱斯克的防线被超越，使保卫该市的部队被包围。斯摩棱斯克行动时德国第4集团军的参谋总长及后来第4集团军的司令库尔特·冯·蒂普尔斯克瑞奇默斯，这样写道：
