В трудных условиях обстановки командующий 3-й гвардейской танковой армией в течение ночи на 20 июля перегруппировал свои войска в северо-западном направлении, с утра 20 июля нанёс удар на станцию Отрада. Успешно продвигаясь вперёд, войска армии к исходу дня перерезали шоссе Мценск — Орёл и вышли к восточному берегу Оки на участке Отрада, Ивановская Оптуха, чем решающим образом содействовали войскам фронта в разгроме мценской группировки противника и в овладении городом Мценск.

Выполнив эту задачу, 3-я гвардейская танковая армия в соответствии с приказом командующего фронтом повернула на юго-восток и к исходу 21 июля сосредоточилась в районе Золотарёво. Вслед за этим армия в течение трёх суток, с 21 по 23 июля, прорывала оборону противника на реке Оитушка и вклинилась в расположение врага на глубину до 15 км. В ночь на 24 июля, по приказу командующего фронтом, 3-я гвардейская танковая армия перегруппировала свои войска в район Ново-Петровцы, откуда нанесла удар на Становой Колодезь и 26 июля овладела этим населённым пунктом.

В результате удачных действий 3-я гвардейская танковая армия содействовала выходу войск 3-й и 63-й армий Брянского фронта к рекам Оке и Оптухе, где проходила тыловая полоса обороны противника, прикрывавшая с востока подступы к Орлу.

В то время как войска Брянского фронта успешно развивали наступление, продвигаясь к тыловой полосе обороны противника, войска соседа слева — Центрального фронта — наступали весьма медленными темпами. Для ускорения их продвижения в оперативное подчинение командующего Центральным фронтом была передана 3-я гвардейская танковая армия, которая к 28 июля перегруппировалась в район Рыбница, откуда нанесла удар на Философово и тем самым содействовала войскам 48-й армии в выходе к реке Малой Рыбнице.

Вслед за этим 3-я гвардейская танковая армия произвела ещё одну перегруппировку в полосу наступления 13-й армии Центрального фронта и 2 августа сосредоточилась в районе Воронец. Из этого района она начала наступление в северо-западном направлении на Гастомль, чем содействовала выходу войск 13-й армии к району Кромы и осуществлению охвата правого фланга орловской группировки противника с юго-востока.

В контрнаступлении на Центральном фронте участвовали 2-я танковая армия и два отдельных танковых корпуса: 19-й, оперативно подчинённый командующему 70-й армией, и 9-й, подчинённый командующему 13-й армией.

Начав наступление 15 июля, 2-я танковая армия, 9-й и 19-й танковые корпуса во взаимодействии с общевойсковыми соединениями к 17 июля полностью восстановили положение, занимаемое войсками Центрального фронта до начала оборонительной операции. Вслед за этим войска 48-й и 13-й армий Центрального фронта, преодолевая совместно с 9-м танковым корпусом упорное сопротивление противника, медленными темпами продвигались в направлении Кромы. Тем временем 2-я танковая армия приказом командующего фронтом была рокирована в полосу наступления 70-й армии и во взаимодействии с ней начала охватывать орловскую группировку с юга, выйдя к концу июля в район Красниково. К этому времени 4-я танковая армия начала охватывать орловскую группировку с севера, а 3-я гвардейская танковая армия содействовала войска Брянского и Центрального фронтов в охвате врага с северо-востока и юго-востока. В таких условиях немецкое командование, стремясь предотвратить угрозу окружения, 30 июля приняло решение на отвод всех своих войск с орловского плацдарма.

С началом отхода противника войска Брянского и Центрального фронтов и действовавшие в их составе бронетанковые и механизированные соединения перешли к преследованию.

5 августа был освобожден город Орёл. В ознаменование достигнутой победы при разгроме орловской группировки противника и освобождении города Орёл в Москве впервые был произведён салют доблестным войскам Советской армии.

Продолжая дальнейшее преследование, войска Брянского и Центрального фронтов к 17 августа вышли на подступы к Брянску.

На белгородско-харьковском направлении наступление осуществляли:

— Воронежский фронт в составе пяти общевойсковых армий (38-й, 40-й, 27-й, 6-й гвардейской, 5-й гвардейской), двух танковых армий (1-й и 5-й гвардейской) и четырёх танковых корпусов (2-го, 10-го, 4-го гвардейского и 5-го гвардейского);

— Степной фронт в составе трёх общевойсковых армий (53-й, 69-й и 7-й гвардейской) и 1-го мехкрпуса;

— Юго-Западный фронт своей правофланговой 57-й армией.

Общевойсковые армии были усилены шестью отдельными танковыми бригадами, одиннадцатью отдельными танковыми полками и пятью самоходно-артиллерийскими полками, которые использовались для непосредственной поддержки пехоты.

Прорыв на направлении главного удара Воронежского фронта предусматривалось осуществить из района севернее Томаровки силами 5-й и 6-й гвардейской армий с последующим развитием прорыва подвижными группами 1-й и 5-й гвардейской танковых армий и 5-го гвардейского танкового корпуса.

Боевые действия войск ударной группировки Воронежского фронта и войск Степного фронта начались утром 3 августа. Двумя днями позже, 5 августа, на направлении вспомогательного удара Воронежского фронта начали боевые действия войска 40-й и 27-й армий совместно со 2-м, 10-м и 4-м гвардейским танковыми корпусами.

На направлении главного удара общевойсковые армии с танками непосредственной поддержки пехоты в течение первой половины дня прорвали оборону противника на глубину до 5–6 км. Во второй половине дня операции в полосе наступления 5-й гвардейской общевойсковой армии были введены в бой 1-я и 5-я гвардейская танковые армии, которые нарастили удар из глубины, полностью завершили прорыв тактической зоны обороны противника и к исходу этого дня своими передовыми частями вышли: 1-я танковая армия — в район восточной окраины Томаровки, вклинившись в оборону противника на глубину 12 км, 5-я гвардейская танковая армия — в районы Саенков, Добрая Воля, вклинившись на глубину до 26 км. Таким образом, войска противника, оборонявшие томаровский и белгородский узлы сопротивления, оказались к исходу первого дня контрнаступления советских войск расчленёнными на две изолированные группы.

С целью обеспечения свободы дальнейшего наступления танковых армий в юго-западном направлении и предотвращения угрозы со стороны этих немецких групп тылам танковых армий главные силы общевойсковых армий Воронежского и Степного фронтов с утра второго дня операции были направлены на ликвидацию томаровского и белгородского узлов сопротивления. Кроме того, для быстрейшей ликвидации белгородского узла сопротивления были привлечены также 1-й мехкорпус и 5-й гвардейский мехкорпус, последний из состава 5-й гвардейской танковой армии. Полная ликвидация гарнизонов этих двух узлов сопротивления была закончена к исходу 5 августа.

Пока общевойсковые армии вели бои по ликвидации белгородского и томаровского узлов сопротивления, 1-я танковая армия с оперативно подчинёнными ей 5-м гвардейским танковым корпусом и 5-й гвардейской танковой армией стремительно развивали наступление в юго-западном направлении. К исходу 5 августа они вклинились в оборону противника на глубину до 50 км и передовыми частями вышли в районы: 1-я танковая армия — Александровка, 5-я гвардейская танковая армия — Ворожбиты. Продолжая развивать наступление, 1-я танковая армия к 7 августа захватила город Богодухов и перерезала железную дорогу Харьков — Сумы, а 5-я гвардейская танковая армия вышла на рубеж Золочев, Казачья Лопань.