Генерал А. К. Смирнов предложил прорываться ночью в двух направлениях – на села Грейгово и Киселевка с последующим выходом к Снигиревке, откуда навстречу войскам 18-й армии наступали части Резервной армии… (Резервная армия генерала Чибисова создана на Днепропетровщине, 5 августа передана Южному фронту.) На совещании генералы высказались за то, чтобы самим идти в первом эшелоне, лично возглавить прорыв войск. В ночь на 15 августа советские войска начали пробиваться из Николаевского котла, отбросив противника за линию железной дороги. 96-я горнострелковая дивизия полковника И.М. Шепетова, находясь в авангарде частей 18-й армии, на рубеже Грейгово нанесла неожиданный для противника удар в ночном бою, глубоко вклинилась в расположение частей 16-й немецкой мотодивизии, совершила прорыв кольца окружения, обеспечив выход частей в направлении Снигиревки. В боях за Грейгово участвовало до 4 тыс. советских бойцов. Заняв позиции фронтом на север, 96-я дивизия создала коридор, по которому выходили из окружения другие части 18-й армии. Южнее, где прорывались войска 9-й армии, основной удар по 16-й танковой дивизии немцев нанесли соединения 48-го стрелкового корпуса генерала Р.Я. Малиновского. Они захватили и уничтожили 30 немецких танков, 35 орудий и минометов, 10 автомашин. В районе Грейгово для прикрытия советских войск был оставлен 155-й горнострелковый полк полковника И. Рамальцева 96-й горнострелковой дивизии. Воины этого полка стояли насмерть на боевых позициях, погибли почти все, но боевые задачи выполнили с честью.
Советское командование приказало отступавшим частям создать передовую позицию обороны на рубеже Ингулец (Кривой Рог – Херсон) силами 5-й стрелковой и 2-й кавалерийской дивизий. Войска 18-й и 9-й армий самостоятельно прокладывали себе дорогу на восток, воспользовавшись тем, что сплошного фронта у противника не было. Выходу советских войск из полуокружения содействовала ударом с востока (из района Снигиревки) 296-я стрелковая дивизия Резервной армии, курсанты Одесского пехотного училища, бригада милиции, спецчасти 169-й стрелковой дивизии. К исходу 16 августа войска прорыва и деблокирования соединились. Грейговский прорыв стал первым успешным прорывом окруженной фашистами группы войск в истории Второй мировой войны. В бою под Грейговом было уничтожено 475 немецких солдат и офицеров, более 100 машин, 13 минометов, 16 пулеметов и 6 орудий. 9-я армия 15–16 августа прорывалась из окружения и к утру 17 августа вышла на восточный берег Ингульца севернее Херсона. В ночь на 17 августа, оторвавшись от вражеского преследования, войска 18-й армии и 2-го кавкорпуса переправлялись через Ингулец.
Успеху выхода из окружения способствовало то, что на Николаевском направлении в одиночестве действовала только одна 16-я немецкая танковая дивизия. Дивизия генерала Ганса Валентина