В район Воронежа из резерва Ставки Верховного Главнокомандования был направлен также 18-й танковый корпус. Одновременно Ставка Верховного Главнокомандования приказала командующему Брянским фронтом левофланговые соединения 40-й армии отвести на рубеж Ястребово, Панки (25—30 км северо-западнее и западнее Старого Оскола), а 5-ю танковую армию перегруппировать из района Ефремова в район южнее Ельца для нанесения контрудара по флангу и тылу группировки немецко-фашистских войск, наступавших на Воронеж. На усиление 5-й танковой армии Ставка Верховного Главнокомандования дополнительно направила из своего резерва 7-й танковый корпус.

В целях восстановления управления войсками левого крыла Брянского фронта Ставка приказала командующему фронтом к 16 часам 2 июля с оперативной группой из Ельца выехать в Воронеж и возглавить войска, действовавшие на этом направлении.

Командующий Брянским фронтом со своей стороны для прикрытия левого фланга 13-й армии и упреждения противника в развитии наступления на Елец развернул на этом направлении вначале две стрелковые дивизии, а затем и 8-й кавалерийский корпус и две танковые бригады с задачей не допустить продвижения противника на север и северо-восток.

С утра 3 июля противник продолжал развивать наступление. Армейская группа «Вейхс» главный удар наносила из района Касторное, Горшечное на Воронеж, выдвигая часть своих сил на рубеж Ливны, Тербуны. 6-я немецкая армия своим 40-м танковым корпусом развивала наступление из района Нового Оскола и Волоконовки в северо-восточном направлении, выдвигая большинство своих пехотных дивизий на линию Лиски, Валуйки, Купянск для обеспечения операции с юга, а также для занятия здесь исходного положения для последующей наступательной операции.

Левофланговый корпус 6-й немецкой армии наступал своими главными силами от Скородное на Старый Оскол, в районе которого он 3 июля соединился с частями 2-й венгерской армии, замкнув кольцо окружения вокруг шести дивизий левого фланга 40-й армии и правого фланга 21-й армии.

Войска 40-й и 21-й армий, попавшие в окружение, вынуждены были прорываться отдельными подразделениями и частями неорганизованно, при плохом обеспечении боеприпасами, при отсутствии единого командования окруженными войсками и при неудовлетворительном руководстве операцией со стороны командующих армиями.

4 июля завязались бои с частями немецких танковых корпусов на подступах к Воронежу, а 6 июля части 48-го танкового корпуса противника, форсировав р. Дон, ворвались в западную часть Воронежа.

Однако дальнейшее продвижение противника в районе Воронежа было остановлено прибывшими сюда частями 18-го танкового корпуса и соединениями 3-й резервной армии, начавшими развертываться для обороны на рубеже р. Дона.

В такой обстановке утром 6 июля начался контрудар нашей 5-й танковой армии, которой командовал генерал-майор Лизюков А. И., из района Тербуны на юг во фланг ударной группировке армейской группы «Вейхс». Этот контрудар мог привести к полному разгрому танковой группировки немецко-фашистских войск, прорвавшейся к Воронежу, и решительно изменить ход оборонительного сражения на воронежском направлении. Однако вследствие крайне плохой организации и нерешительности действий командования и войск этот контрудар 5-й танковой армии ожидаемых результатов не дал. Вместо мощного единого удара все вылилось в разрозненные действия танковых корпусов и танковых бригад, которые быстро потеряли свою ударную силу. Поэтому наступление, начавшееся 6 июля, уже 7—8 июля начало затухать.

Несмотря на неудовлетворительную организацию и проведение контрудара 5-й танковой армией, противник был крайне обеспокоен угрозой, нависшей над войсками армейской группы «Вейхс» с севера. Для отражения этого удара фашистское командование вынуждено было повернуть на север выдвигавшиеся в район Воронежа 24-й танковый корпус и три пехотные дивизии. Это значительно ослабило удар немецко-фашистских войск на Воронеж и сорвало намерение противника использовать пехотные дивизии 13-го армейского корпуса для смены в районе Воронежа танковых корпусов, предназначавшихся для развития наступления вдоль Дона на юг.

Таким образом, благодаря большим усилиям и ценою значительных потерь положение советских войск в районе Воронежа было укреплено.

Однако в связи с прорывом нашей обороны в стыке Брянского и Юго-Западного фронтов и выхода группировки противника в район Воронежа создалась реальная угроза глубокого охвата войск правого крыла Юго-Западного фронта.

Создавшаяся обстановка требовала принятия срочных мер по обеспечению правого крыла Юго-Западного фронта с тем, чтобы упредить противника в развитии наступления вдоль Дона в южном и юго-восточном направлениях по тылам войск фронта, а также не дать возможности врагу форсировать Дон южнее Воронежа. В связи с этим Ставка Верховного Главнокомандования указала командующему Юго-Западным фронтом на необходимость создания на правом крыле фронта двух оборонительных полос. Первая полоса должна была проходить по южному берегу р. Потудани на участке от Дона до Репьевки, с последующим поворотом на юг по ранее созданному оборонительному рубежу до Алексеевки и далее по восточному берегу р. Валуй до р. Оскол. Вторую полосу предполагалось создать по р. Тихая Сосна на участке от р. Дон до Алексеевки.

Для обороны этих полос предполагалось, кроме отходивших войск 21-й и 28-й армий, использовать перебрасываемые в этот район части 22-го танкового и 3-го гвардейского кавалерийского корпусов, 52-го укрепленного района и трех истребительных противотанковых бригад.

Однако командованию Юго-Западного фронта выполнить поставленные задачи не удалось. 22-й танковый и 3-й гвардейский корпуса и часть 52-го укрепленного района не успели выйти на правое крыло фронта и организовать оборону на указанных рубежах. Противник, возобновив утром 5 июля наступление, прорвал оборону частей 117-го укрепленного района, оборонявшихся на фронте от Репьевки до Алексеевки.

6 июля немецко-фашистские войска форсировали р. Тихая Сосна и выдвинулись в район Каменки и к югу от Алексеевки.