Оборона на стыке 21-й и 28-й советских армий была прорвана. Введенный в прорыв 40-й моторизованный корпус начал наступление в общем направлении на Старый Оскол. На левом фланге немецких войск, на стыке Юго-Западного и Брянского фронтов, в направлении на Старый Оскол начали наступление войска 2-й венгерской армии.
В течение нескольких дней войска 21-й и 28-й армий силами 13-го и 23-го танковых корпусов, 65-й и 90-й танковых бригад пытались ликвидировать прорыв, но безрезультатно. 13-й танковый корпус (к 30 июня имел 180 танков) понес большие потери уже в первый день боев, был смертельно ранен командир корпуса генерал-майор П.Е.Шуров, погибли командиры 20-й мотострелковой и 85-й танковой бригад. 21-я и 28-я армия отошли на рубеж Слоновка, Староивановка, но удержать оборону не сумели. Попытка остановить немецкие войска ударом 23-го танкового корпуса не удалась. Из-за плохой организации наступления и отсутствия авиационной и артиллерийской поддержки корпус понес большие потери.
3 июля войска 8-го армейского корпуса встретились в районе Старого Оскола с венгерскими частями. В окружение попала часть войск 21-й и 40-й армий, управление которыми к тому времени было полностью потеряно. Командующий 40-й армией генерал-лейтенант М.А.Парсегов был снят с должности, вместо него назначен генерал-лейтенант М.М.Попов. В этот же день 23-я танковая дивизия 40-го корпуса форсировав реку Оскол начала наступление на Коротояк.
На воронежском направлении немецкие войска в этот день пытались взять Касторное, но 284-я стрелковая дивизия и 111-я и 119-я стрелковые бригады удержали оборону. Однако 11-я танковая дивизия с севера, а 9-я с юга обошли Касторное.
Для усиления войск Брянского фронта Ставка приняла решения выдвинуть к Дону 3-ю, 5-ю и 6-ю резервные армии (22 стрелковых дивизии и 1 стрелковая бригада). В район Ельца перебрасывалась только сформированная 5-я танковая армия под командованием генерал-майора А.И.Лизюкова.
В этот же район была передислацирована 1-я истребительная авиационная армия резерва Ставки под командованием генерала Е.М.Белецкого (231 исправный самолет). На Брянский фронт был направлен начальник Генерального штаба генерал-полковник А.М.Василевский.
Командующий Брянским фронтом генерал-лейтенант Ф.И.Голиков по указанию Ставки прибыл в район Воронежа, чтобы лично руководить боевыми действиями. При этом указаний для 5-й танковой армии не было оставлено и решения о ее дальнейших действиях принято не было.
4 июля в район Ельца прибыл генерал-полковник А.М.Василевский, который отдал приказ начать наступление 5-й танковой армии не позднее 5 июля, не дожидаясь полного сосредоточения. В состав армии был включен 7-й танковый корпус, перебрасываемый из Калинина. Прикрывать войска 5-й танковой армии должна была авиагруппа генерал-майора Ворожейкина.
4 июля передовые части 24-й танковой дивизии вышли к Воронежу. Оборону города осуществляли войска 75-го УР (6 пулеметно-артиллерийских батальонов), Воронежско-Борисоглебского района ПВО (3-я дивизия ПВО, 746 зенитно-артиллерийский полк и 101-я истребительная авиадивизия ПВО, 78 орудий калибра 76-85 мм, 64 орудия 37-25 мм, до 60 истребителей) и части НКВД. К 4 июля начали прибывать части 18-го танкового корпуса (110-я, 180-я и 181-я танковые, 18-я мотострелковая бригады) под командованием генерал-майора И.Д.Черняховского.
6 июля части 24-й танковой и 3-й мотопехотной дивизий заняли большую часть Воронежа. Гитлер приказал Воронеж подвижными соединениями не занимать, заменив их пехотой, а основные силы 4-й танковой армии повернуть на юг, где 40-й корпус 6-й армии вышел на рубеж реки Тихая Сосна. 7 июля 24-ю танковую дивизию и дивизию "Великая Германия" под Воронежем сменили пехотные части и они повернули на юг.
6 июля части 7-го танкового корпуса 5-й танковой армии вступили в бой с немецкой 11-й танковой дивизией. На следующий день подошли части 11-го танкового корпуса и отбросили немецкие части на рубеж Перекоповка, Озерки, Каменка. К 8 июля части 7-го и 11-го танковых корпусов вышли на реку Сухая Верейка. Дальнейшее продвижение было остановлено. Части корпусов несли огромные потери от немецкой авиации, советская авиация прикрытия не обеспечила. Войска 5-й танковой армии вели бои до 18 июля, когда остатки армии были отведены в тыл. В результате спешного ввода армии в бой по частям, опять не удалось создать превосходство в силах над 11-й и 9-й немецкими танковыми дивизиями, с которыми армия вела бои. Отсутствие авиационного прикрытия привело к огромным потерям именно от ударов авиации. Однако скованные боями с 5-й танковой армией две немецкие танковые дивизии, не смогли принять участия в операциях по окружению войск Юго-Западного фронта, что сильно нарушило планы немецкого командования.
7 июля был создан Воронежский фронт в составе 60-й, 40-й и 6-й армий, 2-й воздушной армии, 4-го, 17-го, 18-го и 24-го танковых корпусов. Командующим фронтом был назначен генерал-лейтенант Ф.И.Голиков. (командующим Брянским фронтом был назначен генерал-лейтенант Н.Е.Чибисов). Фронт должен был очистить восточный берег Дона и занять прочную оборону на этом берегу.
В этот же день части 3-й мотопехотной дивизии немцев захватила переправы через Дон в районе Подклетной. 110-я и 180-я танковые бригады 18-го танкового корпуса были отрезаны (мосты в Воронеже были взорваны), потеряв все танки, к 9 июля остатки бригад вырвались из окружения. 10 июля корпус был выведен на доукомплектование.
14 июля командующим Воронежским фронтом был назначен генерал-лейтенант Н.Ф.Ватутин, а командующим Брянским фронтом - генерал-лейтенант К.К.Рокоссовский.
В ходе наступления с 28 июня по 7 июля немецким войскам удалось прорвать оборону Красной армии на фронте около 300 км и продвинуться на глубину 150-170 км, выйдя к Дону и глубоко охватив войска Юго-Западного фронта с севера.
Немецкое командование приняло решение 7 июля начать проведение операции "Клаузевиц": удар с севера из района Острожска 4-й танковой и 6-й армий (Стоит заметить, что часть соединений этих армий уже вели