(9月7日 – 10月2日)
苏军在9月7日至9月14日的一周内再次获得增援，并正准备再次进攻。斯摩棱斯克、维捷布斯克和奥尔沙是苏联最高统帅部门的下一个目标。9月14日，与斯摩棱斯克·罗斯拉夫尔的进攻行动(Смоленско - Рославльская наступательная операция)由加里宁方面军左翼和西方方面军共同实施。经过初步炮击，苏军试图突破德国国防军的防线。
在加里宁方面军的进攻区，红军最终形成了一个30公里（19英里）宽、3至13公里（2-8英里）深的突出部分。经过四天的战斗，几名苏联狙击手占领了斯摩棱斯克前的另一个重要城市杜霍夫希纳。
在西方面部军队的进攻区域，进攻比加里宁方面部军队晚了一天，也取得了成功的突破，发展了一个20公里（12英里）宽和10公里（6英里）深的突出部分。同一天，斯摩棱斯克附近的一个重要铁路枢纽亚尔采沃被苏联军队解放。在西方面部军队的左翼，几名苏联狙击手抵达杰斯纳河进行河流攻击，并在河西岸建立了几座桥头堡。
结果，德国国防军保卫斯摩棱斯克的防线被超越，包围了该市的军队。在斯摩棱斯克行动中，德国第四集团军的参谋长和后来第四集团军的司令库尔特·冯·蒂普尔斯克里奇默斯写道：
“苏联西方面军攻击多罗戈布日- 叶利尼亚防线中央集团军队左翼的目的是向斯摩棱斯克取得突破。显然，保卫东部德国第九集团军的突出部门不能再坚持了。”
9月19日，苏联军队在德国国防军的防线上打开了250公里（150英里）和40公里（25英里）宽的差距。第二天，苏联最高指挥官命令西方军队在9月27日抵达斯摩棱斯克，然后开始向奥尔沙和莫吉廖夫前进。加里宁军队被命令在10月10日前占领维捷布斯克。
9月25日，苏军完成了解放斯摩棱斯克的任务，渡过北第聂伯河，持续了整夜的巷战。同一天，另一个重要城市罗斯拉夫尔也被收复。9月30日，苏军进攻部队疲惫不堪，在维捷布斯克、奥尔沙和莫吉廖夫周围陷入困境。德国国防军仍然坚持在这里。10月2日，斯摩棱斯克行动结束。经过两天的巷战，涅韦尔在后续行动中成功恢复。
总的来说，苏军在进攻第三阶段近20天前进了100-180公里(60-110英里)。
列尼诺战役(在白俄罗斯苏维埃社会主义共和国)于1943年10月12日至10月13日在同一地区发生。