Донбасская операция закончилась во второй половине сентября освобождением Донбасса. Войска Южного фронта вышли к реке Молочной и создали угрозу немецко-фашистской обороне в низовьях Днепра и на подступах к Крыму. Для Бирюзова эта операция, по его признанию, явилась экзаменом на зрелость в качестве начальника штаба фронта.
Его возросшее искусство как начальника штаба фронта еще более ярко проявилось во время прорыва вражеской обороны на реке Молочной. При подготовке этой операции службы штаба под руководством Бирюзова проделали огромную работу. На планирование операции и перегруппировку войск было отведено всего трое суток. За это же время нужно было собрать недостающие разведданные о противнике, подтянуть тылы, перевезти боеприпасы, провести еще десятки мероприятий и проконтролировать их выполнение. Вновь назначенный начальником оперативного отдела полковник А. П. Тарасов, узнав, что все это надо спланировать за одну ночь, заявил: "Требуется несколько дней!"
- Через несколько дней это никому уже не потребуется, - отрезал Бирюзов. - К утру все должно быть сделано!..
Бои, принявшие затяжной характер, продолжались уже несколько дней, а решительного результата все не было. Что делать дальше? - этот вопрос все больше беспокоил и командующего фронтом, и Бирюзова. Ответ на него дала разведка. Недаром Бирюзов не жалел усилий, чтобы непрерывно, день и ночь, добывались данные о расстановке неприятельских сил. К началу октября начальнику разведки фронта М. Я. Грязнову уже было ясно, что фашисты, чтобы удержать свои позиции на направлении главного удара, перебрасывают туда войска с участка южнее Мелитополя. Следовательно, они значительно ослабили свой фронт перед действовавшей там нашей 28-й армией.
Да, там, на юге, можно было рассчитывать на успех - к такому выводу пришли Бирюзов и Грязнов. Но чтобы убедить в этом командование, надо было тщательно все взвесить, обосновать, подкрепить расчетами. Проанализировав обстановку с работниками штаба, Бирюзов предложил перегруппировать войска и осуществить прорыв фронта в полосе 28-й армии. Предложение было внимательно рассмотрено Военным советом с участием представителя Ставки Маршала Советского Союза А. М. Василевского. Было решено усилить 28-ю армию 19-м танковым корпусом и, если им удастся прорвать фронт раньше, чем на главном направлении, направить туда резерв фронта для развития успеха.
Толбухин остался руководить войсками на главном направлении, а ответственным за действия 28-й армии и ввод в бой 19-го корпуса назначил Бирюзова. С волнением воспринял Сергей Семенович это ответственное назначение: ему предстояло на деле доказать, что предложение о прорыве фронта противника южнее Мелитополя обоснованно.
Возвратившись на КП 28-й армии с ее командующим генералом В. Ф. Герасименко и прибывшим туда командиром 19-го танкового корпуса генералом И. Д. Васильевым, Бирюзов поставил им задачу, и они вместе уточнили план предстоящих действий. Особенно тщательно рассмотрели вопрос о действиях танков по преодолению проходившей в полосе наступления 19-го танкового корпуса параллельно линии фронта железнодорожной насыпи, а за ней шоссе, тоже с высокой насыпью. Столь серьезное препятствие могло решающим образом повлиять на успех наступления - это хорошо понимал и сам Бирюзов, о том же самом говорили ему и Толбухин, и Василевский, напутствуя перед отъездом к Герасименко. Начало наступления назначалось на утро следующего дня. За ночь была проделана колоссальная работа: уточнено расположение вражеских огневых средств и противотанковых узлов, сделаны проходы в минных полях, перегруппирована артиллерия, подготовлены к атаке пехота и танки.
Атака уже началась, когда на КП 28-й армии прибыл Василевский. Он еще раньше по телефону сообщил Бирюзову, что на главном направлении события по-прежнему неутешительные и остается надеяться на успехи непосредственно под Мелитополем... Танки 19-го танкового корпуса подходили к железнодорожной насыпи. Наступление развивалось успешно, однако на одном из участков оно застопорилось. Василевский и Бирюзов припали к стереотрубам. Было видно, что танки остановились и вели огонь с места, несколько из них горели, автоматчики залегли... Атака явно захлебывалась. Связались с Васильевым. Тот доложил, что его корпус атакуют до 70 танков. "Сергей Семенович, - распорядился Василевский, - немедленно поезжайте к Васильеву, пусть его корпус развивает наступление в обход Чехограда, в тыл основной группировки противника, а вражеские танки уничтожать артиллерией". Бегом бросился Бирюзов к своему вездеходу, на ходу приказал артиллеристам дать "катюшами" два залпа по вражеским танкам и через несколько минут уже был на КП Васильева. Как раз в это время прогремел второй залп "катюш", накрывший противотанковый узел противника и его контратакующие танки. "Вперед, куда били "катюши", - перебил Бирюзов Васильева, начавшего было докладывать обстановку. - Вот в этом направлении и атакуйте немедленно, а часть сил направить в обход Чехограда". Васильев взглянул на часы: "Через час Чехоград будет освобожден". Наши танки вновь ринулись в атаку. К вечеру противотанковый район гитлеровцев был преодолен. Можно было согласно плану вводить в прорыв 4-й кавкорпус генерала Н. Я. Кириченко. Все это говорило о том, что прорыв здесь, южнее Мелитополя, гарантирует успех всей операции.
