戰略背景
在1943年7月庫爾斯克戰役結束後，德軍已失去了所有在東線戰場爭取主動權的所有希望，損失十分可觀及戰鬥力比以前低落，因很多有作戰經驗的士兵在過往兩年的戰鬥中倒下，這使德軍只能因應蘇軍的行動作出回應。
蘇聯方面，史達林決心解放被德國占領的國土，這個過程，已在1942年年底的天王星行動中開始，這個行動導致解放史達林格勒。第聶伯河戰役實現了解放烏克蘭及將南部前線向西推前的目的。然而，為了更進一步削弱德國的防禦力量，斯摩棱斯克行動同時被進行，此舉將迫使德軍將預備隊向北面轉移，從而削弱了德軍在南部的防衛力量。這兩個行動均是同一個戰略性進攻行動的一部分，旨在儘可能收復被德軍控制的蘇聯領土。
三十年後，華西列夫斯基元帥（1943年的蘇聯參謀總長）在其回憶錄中寫道：
這個計畫，需要有巨大的勇敢和力量的才能實施，通過執行一些行動：斯摩棱斯克行動， ...在頓巴斯[行動]，烏克蘭左岸行動...
地理位置
進攻地區是一個稍微覆蓋平原丘陵溝壑和擁有大面積的沼澤和森林，這會限制軍事行動。其最重要的丘陵高地達到250至270米（750–800英尺），有時甚至更多，從而改善對火炮的防禦。在1943年時，該地區的大部分被松樹及混交林和厚厚的灌木叢覆蓋著。
眾多河流也通過該地區，其中最重要的是頓涅茨克盤地、西德維納河、第聶伯河、傑斯納河、Volost'和烏格拉河。這些河流的河面不算寬闊，分別只有10至120米（30至360英尺），也不特別深，大約分別為40至250厘米（1至8英尺）；但周圍廣泛的沼澤地卻難娖通行交叉，尤其是機械化部隊。此外，像許多在歐洲向南流的河流一樣，仍在德軍手中的第聶伯河西岸，比東岸的更陡崤及深，而且只有很少橋樑或渡輪可供使用。
運輸基礎設施
對於蘇軍來說，進攻因該地區缺乏足夠的運輸基礎設施而變得更加複雜，公路網是沒有得到良好的發展，鋪設過道路更是罕見的。降雨之後，這在夏天的俄羅斯是很常見的，其中大部分更變成了泥沼（這種現象被稱為大沼澤地），大大拖慢了機械化部隊的前進速度，加劇了後勤問題。至於鐵路，唯一可供蘇軍使用的主要鐵路線是熱澤夫-維亞濟馬-基洛夫一線。
另一方面，德國國防軍則控制了以斯摩棱斯克和羅斯拉夫爾為中心更多的公路網和鐵路線。這兩個城市都是重要的後勤中心，使德軍能獲得快速供應和增援。對德軍來說最重要的鐵路線是斯摩棱斯克 -布良斯克線和涅韋爾-奧爾沙-莫吉廖夫線，它們將在奧廖爾集中的德軍與其西面的部隊連繫在一起。然而，作為蘇軍計畫的一部分，德軍的鐵路通信因蘇軍實施音樂會行動而被游擊隊襲擊，這是第二次世界大戰中其中一次最大規模的鐵路破襲行動。
雙方參戰部隊
蘇軍進攻部隊
截至1943年7月，東部陣線該部分的蘇軍戰線成凹狀及形成了一個以奧廖爾為中心的突出部，為他們提供一個攻擊德國國防軍的機會，從而由北面攻擊其暴露的側翼。
因此，該進攻對擔任主攻任務的加里寧方面軍及西方面軍是相當困難的。
加里寧方面軍分派參加該行動的是第10近衛集團軍、第5集團軍、第10集團軍、第21集團軍、第33集團軍、第49集團軍、第68集團軍、第1航空集團軍、第2近衛軍、第5機械化軍、第6近衛騎兵軍。
西方面軍參與該行動的是第4突擊集團軍、第39集團軍、第43集團軍、第3航空集團軍、第31集團軍。
防守的德軍
由於戰線的形狀，德國中央集團軍群有相當多的師團被部署在該地區，因為（完全似乎邏輯）擔心蘇軍對該地區發動一次主要進攻。
例如，在1943年7月底，一名德軍參謀人員簡報：
在由中央集團軍群防守的戰線上，有許多跡象表明一個有限度的攻勢（羅斯拉夫爾、斯摩棱斯克及維捷布斯克）和一個針對中央集團軍群的演習正在準備中…
該地區的戰線在此戰役前已經或多或少穩定的4至5個月（在幾個地方最多達18個月），而且在地理上亦有利於建立一個強大的防線。因此，德軍有足夠時間建立廣闊的防禦陣地，在一些地段有多達5至6條防線在一起，縱深達100到130公里（60–80英哩）。
第一（戰術或外層空間）防禦區包括第一（主要）和第二道防線，總深度為12至15公里（7–9英哩），並且，只要有可能，就設在高地上。主要的防線，深5公里，擁有3層套戰壕和射擊點，由廣泛的通信網路聯繫。在戰線上之射擊點的密度，每公里達到6或7個（0.6英哩）。在一些地方，因擔心受到重型坦克的攻擊，第三層的戰壕實際上是一個堅實的反坦克壕溝及在陡峭的西面有一個綜合大炮和機槍綜合陣地。遠邊的戰區由三層鐵絲網和堅實的地雷牆掩護。
第二防禦區，位於外防禦區後面約10公里（6英哩）和掩護最重要的方向，它由一系列發射點與壕溝組成。這由鐵絲網加以保護，並與因預期有重型坦克出現而布下的雷區連成一起。在外防禦區和第二防禦區之間，擁有一系列小型發射點和游擊小組以在紅軍突破外防禦區後減緩他們的進攻。第二防禦區的後面，布署了重型機槍。
最後，在戰線的後方，一條河的西岸儘可能設立了3或4條防線。舉例來說，重要的防線而設立的第聶伯河西岸和傑斯納河。此外，位於防線的主要中心城市（如葉利尼亞、杜霍夫希納和斯帕斯-傑緬斯克），得到了增援和要塞化，以準備進行一場長期戰鬥。道路被雷區覆蓋和由在一些最重要及最高的建築物上安裝的反坦克發射裝置及火力發射點加以掩護。
第一階段
（8月7日 – 8月20日）
主要突破
經過一天的偵察，其目的是確定德軍是否選擇撤回或不在第一組戰壕上，進攻在1943年8月7日上午6點30分展開（最初的炮轟在早上4時30分開始）及向羅斯拉夫爾突破。三支參加該攻勢的軍隊（大部分由西方面軍指揮）是：在蘇聯第5集團軍、第10近衛集團軍和第33集團軍。
然而，攻擊迅速遭遇到反抗和停滯不前。德軍在坦克、突擊炮、重型機關槍和迫擊炮的支援下，多次試圖從他們充分準備的防禦陣地的支持下反擊。康斯坦丁·羅科索夫斯基在回憶錄中說：“我們不得不撕破德軍的防線，一個接一個。”在第一天的攻勢中，蘇軍只前進了4公里（2.5英哩），同時所有可調動的部隊（包括炮兵、通訊人員及工兵）均被投入該戰役。
儘管蘇軍猛烈地進攻，但很快就變成了很明顯，這三個集團軍無法突破德軍防線。因此，蘇軍決定將第68集團軍留在戰役預備隊。在德軍方面，另外3個師（第2裝甲師、第36步兵師和第56步兵師）從被送往奧廖爾前線以嘗試阻止蘇軍推進。
第二天，攻擊恢復，同時嘗試在北部向葉利尼亞作進一步的突破。該兩次攻擊均因德軍的頑強抵抗而被迫暫停。之後的5天內，蘇軍慢慢地突破德軍的防線、擊退猛烈的反擊和付出慘重的代價。將後備部隊投入戰鬥的同時，紅軍在8月11日之前已推進15–25公里。
隨後由第六近衛騎兵軍之裝甲和騎兵部隊展開的攻擊，沒有帶來進一步的影響，並造成重大的人員傷亡，導致了一個僵局出現。
斯帕斯-傑緬斯克攻勢
在斯帕斯-傑緬斯克攻勢行動（Спас-Деменская наступательная операция）中，第10集團軍的戰況有所好轉。德國國防軍在這地區方面只有很少的部隊和預備隊，從而使第10集團軍能突破德軍防線及在兩天內前進了10公里。
但是，第5機械化軍，從基洛夫轉移及加入該戰役以進行突破，但行動歸於失敗，主要是因為防空作戰組織不良使德國空軍俯衝轟炸機能輕易擊毀輕型的華倫天奴坦克。該軍付出了巨大死傷及從戰場上撤出來，最終蘇軍在8月13日再前進了25公里（15英哩），解放了斯帕斯-傑緬斯克。
杜霍夫希納攻勢
根據蘇聯最高統帥部的命令（英文：Stavka），杜霍夫希納-德米朵夫攻勢行動（Духовщинско-Демидовская наступательная операция）於一星期後的8月13日在杜霍夫希納附近實施。但是，與戰線的其它部分一樣，第39及第43集團軍遭到非常頑強的抵抗。單是在戰鬥的第一天，德國國防軍在坦克、突擊炮及空軍支援下已嘗試了24次旅級單位反攻。
在之後的五天內，蘇軍只前進了6至7公里（3至4英哩）。雖然他們對德國國防軍造成重大傷亡，但自己的傷亡亦十分巨大。
僵局原因
在8月中旬，蘇軍沿斯摩棱斯克戰線的行動穩定下來。由此產生的僵局，並不是可預見到的失敗，刺痛了蘇軍的指揮官們，他們對於未能推進提供了一些解釋。副總參謀長阿列克謝·安東諾夫說：“我們必須同森林和沼澤，以及因由布良斯克地區前來增援的師團而加強之敵軍抵抗相搏鬥。”而蘇聯最高統帥部前成員尼古拉·沃羅諾夫，在其回憶錄中分析了這個僵局，他提出了8個主要原因：
德國國防軍陸軍總司令部對行動作出了優良的指示及準備工作非常充足。
德國國防軍的防線額外準備得非常充分（火力發射點附近布置了戰壕、鐵絲網及地雷區等）。
數個紅軍狙擊師對攻擊多層的防禦系統未有充分準備。尤其預備役師團，他們的訓練並沒有得到適當的監督。
沒有足夠的坦克加入戰鬥，迫使紅軍指揮官依靠火炮、迫擊炮和步兵來突破德國國防軍的防線。此外，眾多的反擊及廣泛的地雷區亦放慢步兵的前進速度。
團與師之間的互相影響遠非完美。攻擊中有意想不到的停頓和一些團"隱藏"了攻擊的堅強意志和揭露了另一些團。
許多紅軍指揮官對德國國防軍的反擊有太深刻的印象，及沒有採取適當行動，即使他們自己的軍隊人數是遠超過德國國防軍。
步兵沒有適當地使用自己的武器（如自己的重型機槍和攜帶型迫擊炮），他們過於依賴火炮。
事實上將進攻從8月3日推遲至8月七日令德軍有更多的時間來準備就緒。
1.德國國防軍陸軍總司令部對行動作出了優良的指示及準備工作非常充足。
2.德國國防軍的防線額外準備得非常充分（火力發射點附近布置了戰壕、鐵絲網及地雷區等）。
3.數個紅軍狙擊師對攻擊多層的防禦系統未有充分準備。尤其預備役師團，他們的訓練並沒有得到適當的監督。
4.沒有足夠的坦克加入戰鬥，迫使紅軍指揮官依靠火炮、迫擊炮和步兵來突破德國國防軍的防線。此外，眾多的反擊及廣泛的地雷區亦放慢步兵的前進速度。
5.團與師之間的互相影響遠非完美。攻擊中有意想不到的停頓和一些團"隱藏"了攻擊的堅強意志和揭露了另一些團。
6.許多紅軍指揮官對德國國防軍的反擊有太深刻的印象，及沒有採取適當行動，即使他們自己的軍隊人數是遠超過德國國防軍。
7.步兵沒有適當地使用自己的武器（如自己的重型機槍和攜帶型迫擊炮），他們過於依賴火炮。
8.事實上將進攻從8月3日推遲至8月七日令德軍有更多的時間來準備就緒。
由於考慮了以上這些因素，沃羅諾夫要求第4坦克集團軍及第8炮兵軍從布良斯克方面軍調來以加強對在斯摩棱斯克進攻的支援。
僵局是遠離了蘇聯最高統帥部的期望，但它至少有一個優點：它將德國國防軍在東部陣線百分之四十的兵力牽制在斯摩棱斯克附近，使在南部及庫爾斯克戰鬥的部隊更容易完成任務。蘇聯最高統帥部本來計畫在8月21日恢復進攻，但後來決定推違給蘇軍單位時間進行補給和增援。
第二階段
（8月21日 – 9月6日）
8月中，東部戰線的情況已經為之一變，原因是蘇軍展開了全面進攻，由別爾哥羅德-哈爾科夫攻勢行動（Белгородско-Харьковская наступательная операция）（奧澤洛夫·魯緬采夫行動）（операция "Румянцев" - 03-23.08）及奧爾洛夫攻勢行動（Орловская наступательная операция）（庫圖佐夫行動）（операция "Кутузов" - 12.07-18.08）開始，在德國歷史上稱為庫爾斯克戰役，之後德國國防軍在下第聶伯河攻勢中防守北烏克蘭。然而，德國國防軍的命令仍然是向斯摩棱斯克和羅斯拉夫爾增援，並從奧爾洛夫撤走數個師團。其結果是，令蘇軍在進行庫爾斯克防禦行動(Курская оборонительная операция 05-23.07)後於奧爾洛夫進行的兩次反攻更容易實施，從而做成了在斯摩棱斯克及布良斯克以南的一個大型突出部。
在這種情況下，之前的指向羅斯拉夫爾及布良斯克西南面之進攻軸心變得用處不大，蘇聯最高統帥部決定將進攻軸心指向西面的葉利尼亞及斯摩棱斯克。
葉利尼亞攻勢
葉利尼亞-多羅戈布日攻勢行動（Ельнинско-Дорогобужская наступательная операция）的主要目標是斯摩棱斯克，因此德國國防軍該市周圍地區建立了一個大型的要塞防禦體系。在傑斯納河及烏格拉河的沼澤地帶已被埋下地雷及在俯瞰該市的高地上架設了重型機關槍。由於了解到德國國防軍已充分準備，從8月20日至8月27日的一個星期，蘇軍獲得了坦克及火炮的大量增援。
攻勢最終在8月28日開始，由第10近衛集團軍、第21集團軍和第33集團軍實施，並獲得3個坦克軍、1個機械化軍及第1航空集團軍的支援。這4個集團軍已覆蓋了36公里（22英里）的戰線，進攻部隊高度集中。然而，部隊缺乏燃料和補給，補給品只足夠部隊一至兩個星期的消耗量。
經過持續90分鐘的猛烈炮轟，蘇軍向前推進。炮轟以及對地攻擊機嚴重地破壞了德國國防軍的防線，令紅軍突破了25公里（15英里）前線區域及在日終前前進6至8公里（4-5英里）。第二天，8月29日，紅軍數個狙擊師進一步前進，造成了一個30公里（19英里）寬，12至15公里（7-9英里）深的突出部。
為了打開突破口，第2近衛坦克軍被投入戰鬥。一天內，其部它隊前進了30公里（19英里），併到達葉利尼亞的郊區。由於德國國防軍士兵沒有時間去重組他們的部隊，紅軍進攻市區，並開始形成一個包圍圈。8月30日，德國國防軍部隊被迫放棄葉利尼亞，導致大量的人員傷亡。這令德國國防軍開始全面撤出該地區。9月3日，蘇聯軍隊到達了第聶伯河東岸。
布良斯克機動作戰
在布良斯克附近，情況同樣有利於蘇軍，儘管遭到德軍的頑強抵抗。但是，一個確定的弱點改變以前所有的計畫。一個出人意料的攻勢占領了控制布良斯克以北杜霍夫希納地區的一些丘陵地帶，同時抓獲了許多完全沒有戰鬥準備的德軍士兵，這個攻勢由1943年6月至10月時任布良斯克指揮官的馬基恩·波波夫指揮實施。這意味著，蘇軍的進攻可能不是好像預計的沿特定軸心實施。
因此，在白俄羅斯第1方面軍與西方面軍之間的分界線轉向南面，同時兩個新的蘇聯集團軍向杜霍夫希納及布良斯克附近實施一個個別鉗形攻勢，迫使德軍撤退。
9月6日起，整個戰線的進攻放慢至幾乎停止，蘇軍之後每一天只推進僅2公里（1英里）。在右翼，激烈的戰鬥發生在亞爾采沃附近的樹林中。在中路，前進中的蘇軍到達第聶伯河防線。在左翼，蘇軍數個狙擊師在進入葉利尼亞西南面的森林時遭到阻擊。此外，蘇軍已十分疲倦和枯竭，兵力不到名義上的百分之六十。9月7日，攻勢被停止，而進攻斯摩棱斯克第二階段的行動亦結束。
第三階段
(9月7日 – 10月2日)
在9月7日至9月14日的一個星期，蘇軍再次得到增援，並正準備再次進攻。蘇聯最高統帥部的下一個目標是主要城市斯摩棱斯克、維捷布斯克和奧爾沙。該行動於9月14日與斯摩棱斯克-羅斯拉夫爾進攻行動（Смоленско - Рославльская наступательная операция）一同進行，由加里寧方面軍的左翼和西方面軍共同實施。經過初步炮擊後，蘇軍試圖衝破德國國防軍的防線。
在加里寧方面軍的進攻區域，紅軍在日終前造成了一個30公里（19英里）闊，3至13公里（2-8英里）深的突出部。經過4天的戰鬥，蘇軍數個狙擊師攻占了斯摩棱斯克前面另一個重要城市杜霍夫希納。
在西方面軍的進攻區域，攻勢比加里寧方面軍晚一天展開，也成功地取得突破，發展出一個20公里（12英里）闊和10公里（6英里）深的突出部。同一天，亞爾采沃，一個在斯摩棱斯克附近重要的鐵路樞紐，被蘇軍解放。在西方面軍的左翼，蘇軍數個狙擊師到達傑斯納河進行渡河攻擊，並在河西岸建立了若干橋頭堡。
結果，德國國防軍保衛斯摩棱斯克的防線被超越，使保衛該市的部隊被包圍。斯摩棱斯克行動時德國第4集團軍的參謀總長及後來第4集團軍的司令庫爾特·馮·蒂普爾斯克瑞奇默斯，這樣寫道：
“蘇聯西方面軍攻擊在多羅戈布日- 葉利尼亞防線的中央集團軍群左翼，目的是向斯摩棱斯克方向實施突破。顯然清楚的是，保衛東面德國第9集團軍的突出部不能再堅守。”
9月19日，蘇軍在德國國防軍的防線上打開了250公里（150英里）長大型和40公里（25英里）闊的缺口。第二天，蘇聯最高統帥部命令西方面軍在9月27日到達斯摩棱斯克，然後著手向奧爾沙和莫吉廖夫前進。而加里寧方面軍被命令在10月10日前攻占維捷布斯克。
9月25日，在渡過北第聶伯河和持續整個晚上的巷戰後，蘇軍完成了解放斯摩棱斯克的任務。就在同一天，另一個重要城市羅斯拉夫爾亦被收復。9月30日，蘇軍進攻部隊已經疲倦和枯竭，並在維捷布斯克、奧爾沙和莫吉廖夫外圍陷入困境，這裡仍被德國國防軍堅守，到10月2日，斯摩棱斯克行動結束。後續的行動只有經過兩天的巷戰後成功收復涅韋爾。
總體上，蘇軍在該攻勢第三階段在接近20天中前進了100至180公里（60-110英里）。
1943年10月12日至10月13日，列尼諾戰役（在白俄羅斯蘇維埃社會主義共和國)）在同一地區發生。
總結
斯摩棱斯克行動是蘇軍一次決定性的勝利和德國國防軍慘痛的失敗。雖然未能與後來的攻勢相比（只取得不超過200-250公里或120-150英里縱深之地區），但蘇軍在這個行動的進攻中有數點非常重要。
首先，德軍最終從莫斯科地區被擊退。這一戰略性的威脅，是蘇聯最高統帥部自1941年以來最大的擔憂，現在終於被解除。
其次，德軍所依賴的環形防線，幾乎完全被擊破。雖然有少部分仍然存在，但很明顯，防線將不能持續被堅守。在戰爭結束後由幾個德國國防軍軍官寫的一篇文章中說:
雖然指揮官及部隊嚴緊的執行行動容許德國保持連續的戰線，但毫無疑問，部隊的條件很惡劣，完全缺乏預備隊，並不可避免的延長個別作戰單位的防線，從而隱藏了危險，在蘇軍下一個主要攻擊中這一拼湊起來的防線難免崩潰。
第三，正如上文所述，斯摩棱斯克行動是下第聶伯河攻勢一個重要的“幫手”，將40至55個師牽制在斯摩棱斯克附近及和防止將其轉移至南部戰線。
最後，德軍一條統一的防線現在被巨大及難以通行普里皮亞季沼澤分開，將南方集團軍群從其北面的友軍分割出來，從而大大減少了德國國防軍從戰線其中一個地區調動部隊和補給品到其它地區的能力。
這是第一次，蘇軍收復被德軍占領很長一段時間的領土，並發現了武裝黨衛隊、特別行動隊及德國國防軍的戰爭罪行。在斯摩棱斯克行動中被解放的地區（被占領了近兩年）中，幾乎所有的工業和農業都消失。在斯摩棱斯克州本身，幾乎百分之八十的城市和百分之五十的農村生活空間還有眾多的工廠和縣市已被摧毀。
在斯摩棱斯克進攻後，蘇德戰線的中央部分再次穩定了數個月，直至1944年6月下旬，而主要戰鬥轉移到南方的第聶伯河線和烏克蘭領土上。僅在1944年1月戰線被再次轉移至北方，當時德軍被從列寧格勒擊退，持續了882天的圍困徹底結束。最後，1944年夏季的巴格拉基昂行動容許紅軍清滅了在蘇聯領土上所有剩餘的德國國防軍，結束德軍的占領及把戰爭轉移到波蘭和德國。
