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：
“苏联西方面军攻击在多罗戈布日- 叶利尼亚防线的中央集团军群左翼，目的是向斯摩棱斯克方向实施突破。显然清楚的是，保卫东面德国第9集团军的突出部不能再坚守。”
9月19日，苏军在德国国防军的防线上打开了250公里(150英里)长大型和40公里(25英里)阔的缺口。第二天，苏联最高统帅部命令西方面军在9月27日到达斯摩棱斯克，然后着手向奥尔沙和莫吉廖夫前进。而加里宁方面军被命令在10月10日前攻占维捷布斯克。
9月25日，在渡过北第聂伯河和持续整个晚上的巷战后，苏军完成了解放斯摩棱斯克的任务。就在同一天，另一个重要城市罗斯拉夫尔亦被收复。9月30日，苏军进攻部队已经疲倦和枯竭，并在维捷布斯克、奥尔沙和莫吉廖夫外围陷入困境，这里仍被德国国防军坚守，到10月2日，斯摩棱斯克行动结束。后续的行动只有经过两天的巷战后成功收复涅韦尔。
总体上，苏军在该攻势第三阶段在接近20天中前进了100至180公里(60-110英里)。
1943年10月12日至10月13日，列尼诺战役(在白俄罗斯苏维埃社会主义共和国))在同一地区发生。
