(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，由加裏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。
在加裏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，蘇軍數個狙擊師攻佔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，攻勢比加裏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，亞爾採沃，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羣左翼，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，然後着手向奧爾沙和莫吉廖夫前進。而加裏寧方面軍被命令在10月10日前攻佔維捷布斯克。
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，這裏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)。
