Однако, несмотря на прорыв в районе Боромли, немецкое командование не отказалось от запланированного контрнаступления. Утром 18 августа дивизии XXIV танкового корпуса перешли в наступление. Изначально слабая и растянутая по фронту оборона 166-й стрелковой дивизии была буквально разгромлена с воздуха. Документы 27-й армии свидетельствуют: «Большинство противотанковых средств (45-мм орудия, ПА[91], ДА[92]и 408 ИПТАП) с личным составом были разбиты и уничтожены авиацией, тягачи сожжены». К исходу дня в построение 27-й армии был вбит клин на глубину 24 км на фронте 7 км. Навстречу ему ударила дивизия СС «Мертвая голова». Создалась реальная угроза окружения для 71-й и 241-й стрелковых дивизий, 4-го и 5-го гвардейских танковых корпусов. Они же были первыми развернуты для парирования немецкого контрудара.

Для противодействия немецкому контрудару сразу же были задействованы соединения свежей 4-й гвардейской армии. 7-я и 8-я гвардейские стрелковые дивизии развернулись на фланге немецкого танкового клина, выстраивая заслон на пути прорыва в тыл Воронежского фронта. На выручку 27-й армии сразу же были направлены части 1-й и 5-й гвардейской танковых армий. 1-я танковая армия отправилась в район Ахтырки практически в полном составе: 6-й танковый корпус, 3-й механизированный корпус (без 10-й мехбригады) и 242-я танковая бригада 31-го танкового корпуса. Танковая армия Катукова к тому моменту была уже изрядно потрепана. В строю на 19 августа числились 91 Т-38 и 48 Т-70. В район Ахтырки отправились около 65 Т-34. От армии Ротмистрова под Ахтырку отправился 29-й танковый корпус (без одной бригады).

Наступление 47-й армии привело к глубокому прорыву фронта 4-й танковой армии. 19 августа в KTB OKW указывалось: «На участке фронта LII армейского корпуса в результате сильных ударов противника создалось критическое положение». Однако, несмотря ни на что, контрудар был продолжен. Немецкое командование считало, что оно успеет сомкнуть фланги 8-й и 4-й танковой армий до сползания ситуации к критической точке. После этого XXIV танковый корпус мог быть развернут для парирования наступления 47-й армии.

К тому времени танковая дивизия СС «Рейх» была сменена 223-й пехотной дивизией. Пользуясь случаем, следует отметить, что резервы получала не только советская сторона. Манштейн позднее писал: «До конца августа мы получили 9 пехотных и одну танковую дивизии». Именно эти резервы позволили командованию группы армий «Юг» стабилизировать ситуацию. Смена эсэсовских дивизий в первой линии на пехоту позволила ввести в бой под Котельвой полк «Дойчланд» и танковую боевую группу «Тишен» из состава «Рейха». Они приняли участие в контрударе совместно с «Мертвой головой». Атака нацеливалась навстречу группировке, наступающей от Ахтырки. 20 августа части дивизий «Великой Германии» и боевые группы эсэсовских соединений соединились в районе к северу от Колонтаева. Фланги 4-й танковой и 8-й армий сомкнулись.

В разведывательной сводке группы армий «Юг» указывалось: «На левом флаге 8 А в настоящий момент большая неразбериха. 4-й гв. тк, а также части 5-го гв. тк, отрезанные в результате атаки дивизии СС «Мертвая голова» и дивизии «Великая Германия», попытались прорваться в восточном направлении, но были отброшены на юг».

Подошедшие к полю сражения части 1-й танковой армии атаковали наступающие немецкие дивизии во фланг. Та же сводка группы армий «Юг» сообщала: «Крупные силы противника начали атаковать по фронту прикрытия в северо-восточном направлении (юго-вост. г. Ахтырка) с привлечением переброшенного с Орловской дуги 3-го гв. тк, 31-го тк, а также 7-й и 48-й гвардейских дивизий, переброшенных из района ГА «Север». Атаки были отражены. Одна только дивизия «Великая Германия» на этом участке подбила 100 танков противника». Тем не менее сильный нажим на XXIV танковый корпус позволил окруженным советским частям прорваться из окружения.

Заслон на пути прорыва 4-го гв. танкового корпуса у Колонтаева выставила дивизия СС «Мертвая голова». Имея превосходство как в людях, так и в технике, эсесовцы прочно закрепились в городе и его окрестностях. К Колонтаеву части 4-го гв. танкового корпуса подошли поздним вечером 20 августа. Как позднее отмечалось в отчете штаба корпуса: «Использовав внезапность, танки и самоходные орудия в течение первого получаса боя подожгли у противника 7 танков и много автомашин. Но обстановка сложилась не в пользу колонны частей корпуса, так как танки и артиллерия втянулись в улицу населенного пункта, где развернуться в процессе боя было очень трудно и вместе с этим у противника здесь уже было много танков, артиллерии, минометов, мотопехоты. Продолжая вести при свете пожаров ожесточенный уличный бой, часто переходящий в рукопашные схватки, отдельные группы бойцов под руководством офицеров ударами во фланг, обходя Колонтаев с севера и юга, начали обход группы танков и броневиков противника, скованной нашими танками и самоходными орудиями». Первым группам под прикрытием темноты удалось с потерями, но прорваться. С наступлением дня остальным подразделениям советского танкового корпуса пришлось разбиваться на мелкие отряды и просачиваться к своим по немецким тылам.

Однако 4-й и 5-й гв. танковые корпуса понесли большие потери в людях и технике в боях и при отходе из окружения. Так, к вечеру 22 августа в 5-м гв. танковом корпусе насчитывалось боеспособных всего 34 Т-34 и 3 Т-70, а в 4-м гв. танковом корпусе по состоянию на вечер 23 августа были боеспособны лишь 11 Т-34 и 8 МК III.

На следующий день сведения о произошедшем достигли Кремля. Сталин устроил Ватутину настоящий разнос. В отправленной поздно ночью 22 августа директиве Ставки ВГК было сказано: «События последних дней показали, что Вы не учли опыта прошлого и продолжаете повторять старые ошибки как при планировании, так и при проведении операций. Стремление к наступлению всюду и к овладению возможно большей территорией, без закрепления успеха и прочного обеспечения флангов ударных группировок, является наступлением огульного характера».

Верховный Главнокомандующий считал, что в результате допущенных командующим Воронежским фронтом ошибок «наши войска понесли значительные и ничем не оправданные потери». В итоге Сталин приказывал Ватутину: «сосредоточить все внимание на реальной и конкретной задаче – ликвидации ахтырской группировки противника, ибо без ликвидации этой группы противника серьезные успехи Воронежского фронта стали не осуществимыми».

Действительно, приходится констатировать, что расчет Ватутина на воздействие наступления 47-й армии на планы противника не оправдался. Несмотря на прорыв фронта к северу от Ахтырки, немецкое командование сохранило присутствие духа и довело дело до конца. Только после того, как фланги двух армий сомкнулись, дивизии XXIV танкового корпуса были задействованы для отражения наступления 47-й армии. Действительно целостность фронта 4-й танковой армии была вновь восстановлена к концу августа 1943 г. ценой сдачи Ахтырки, Котельвы и отхода на рубеж реки Ворскла.

В то время, когда Воронежский фронт сражался с оперативными резервами противника под Богодуховом и Ахтыркой, Степной фронт продолжал борьбу за Харьков. В результате боев 12 и 13 августа войска Степного фронта, прорвав внешний оборонительный обвод, на ряде участков подошли вплотную к городскому обводу и завязали бои на окраинах Харькова. До 17 августа войска Конева вели упорные бои на достигнутых рубежах.