Командование Воронежского и Степного фронтов для достижения успеха прорыва обороны противника решительно массировало силы и средства на направлениях своих главных ударов, что позволило создать высокие оперативные плотности. Так, в полосе 5-й гвардейской армии Воронежского фронта они достигали 1,5 км на стрелковую дивизию, 230 орудий и миномётов и 70 танков и САУ на 1 км фронта.[41]

В планировании использования артиллерии и танков имелись характерные особенности. Артиллерийские группы разрушения создавались не только в армиях, но и в корпусах, действовавших на главных направлениях. Отдельные танковые и механизированные корпуса предусматривалось использовать в качестве подвижных групп армий, а танковые армии - подвижной группы Воронежского фронта, что было новым в военном искусстве.

Танковые армии планировалось вводить в сражение в полосе наступления 5-й гвардейской армии. Они должны были действовать в направлениях: 1-я танковая армия - Богодулов, 5-я гвардейская танковая армия - Золочев и к исходу третьего-четвёртого дня операции выйти в район Валки, Люботин, тем самым отрезав пути отхода харьковской группировки врага на запад.

Артиллерийское и инженерное обеспечение ввода танковых армий в сражение возлагалось на 5-ю гвардейскую армию.

Для авиационного обеспечения каждой танковой армии выделялось по одной штурмовой и истребительной авиационной дивизии.

В подготовке операции поучительным являлось осуществление дезинформации противника об истинном направлении главного удара наших войск. С 28 июля по 6 августа 38-я армия, действовавшая на правом крыле Воронежского фронта, умело имитировала сосредоточение крупной группировки войск на сумском направлении. Немецко-фашистское командование не только стало наносить бомбовые удары по районам ложного сосредоточения войск, но и держало на этом направлении значительное количество своих резервов.[42]

Особенностью являлось и то, что операция готовилась в ограниченные сроки. Тем не менее войска обоих фронтов сумели подготовиться к наступлению и обеспечить себя необходимыми материальными средствами.

3 августа после мощной артиллерийской подготовки и ударов авиации войска фронтов при поддержке огневого вала перешли в наступление и успешно прорвали первую позицию противника. С вводом в бой вторых эшелонов полков была прорвана вторая позиция. Для наращивания усилий 5-й гвардейской армии были введены в бой передовые танковые бригады корпусов первого эшелона танковых армий. Они совместно со стрелковыми дивизиями завершили прорыв главной полосы обороны противника. Вслед за передовыми бригадами были введены в сражение главные силы танковых армий. К исходу дня они преодолели вторую полосу вражеской обороны и продвинулись в глубину на 12 - 26 км, тем самым разобщив томаровский и белгородский узлы сопротивления противника.[43]

Одновременно с танковыми армиями в сражение были введены: в полосе 6-й гвардейской армии - 5-й гвардейский танковый, а в полосе 53-й армии - 1-й механизированный корпуса. Они совместно со стрелковыми соединениями сломили сопротивление врага, завершили прорыв главной полосы обороны и к исходу дня подошли ко второй оборонительной полосе. Прорвав тактическую зону обороны и разгромив ближайшие оперативные резервы, главная ударная группировка Воронежского фронта с утра второго дня операции перешла к преследованию противника.

4 августа войска 1-й танковой армии из района Томаровки начали развивать наступление на юг. Её 6-й танковый и 3-й механизированный корпуса, имея впереди усиленные танковые бригады, к середине дня 6 августа продвинулись на 70 км. Во второй половине следующего дня 6-й танковый корпус освободил Богодухов.[44]

5-я гвардейская танковая армия, обойдя с запада узлы сопротивления врага, нанесла удар на Золочев и 6 августа ворвалась в город.

К этому времени войска 6-й гвардейской армии овладели сильным узлом обороны противника Томаровкой, окружили и уничтожили его борисовскую группировку. Большую роль в этом сыграли 4-й и 5-й гвардейские танковые корпуса. Развивая наступление в юго-западном направлении, они обошли борисовскую группировку немцев с запада и востока, а 7 августа стремительным ударом с ходу ворвались в Грайворон, тем самым отрезав врагу пути отхода на запад и юг. Этому способствовали действия вспомогательной группировки Воронежского фронта, перешедшей в наступление утром 5 августа на своём направлении.

Ночью на 5 августа советская авиация бомбардировала железнодорожные узлы Брянск, Никитовка, Ясиноватая, Иловайская, ст. Мга и аэродромы противника. Южнее Орла советская авиация, поддерживаемая наступление своих сухопутных войск, наносила удары по войскам противника. В воздушных боях советские истребители сбили 54 вражеских самолета. На белгородском направлении советская авиация поддерживала контрнаступление сухопутных войск. Бомбардировочными ударами она уничтожила большое число танков и до 300 автомашин противника. В воздушных боях сбито 44 немецко-фашистских самолета.[45]

Утром 4 августа войска левого крыла Брянского фронта ворвались в Орёл и к утру 5 августа освободили его. Соедининениям, которые первыми ворвались в город и освободили его, присвоено почетное наименование Орловских. В этот же день войсками Степного и Воронежского фронтов был освобожден Белгород.

В честь одержанной победы в Москве в тот же день был произведен первый торжественный артиллерийский салют.[46]

Овладев Орлом, наши войска продолжали наступление. 18 августа они вышли на линию Жиздра - Литиж.

Войска Степного фронта, завершив 4 августа прорыв тактической зоны обороны противника, к исходу следующего дня штурмом овладели Белгородом, после чего начали развивать наступление на Харьков. К исходу 7 августа фронт прорыва наших войск достиг 120 км. Танковые армии продвинулись на глубину до 100 км, а общевойсковые - до 60 - 65 км.[47]

Войска 40-й и 27-й армий, продолжая развивать наступление, к 11 августа вышли на рубеж Бромля, Тростянец, Ахтырка. Рота 12-й гвардейской танковой бригады во главе с капитаном И.А.Терещуком 10 августа ворвалась в Ахтырку, где была окружена противником. В течение двух суток советские танкисты без связи с бригадой находились в осаждённых танках, отбивая яростные атаки фашистов, пытавшихся захватить их живыми. За два дня боёв рота уничтожила 6 танков, 2 самоходные пушки, 5 броневиков и до 150 солдат и офицеров противника. С двумя уцелевшими танками капитан Терещук с боем вышел из окружения и вернулся в свою бригаду. За решительные и умелые действия в бою капитану И.А.Терещуку было присвоено звание Героя Советского Союза.[48]

Главные силы 1-й танковой армии к 10 августа достигли рубежа реки Мерчик. 5-я гвардейская танковая армия после овладения городом Золочев была переподчинена Степному фронту и начала перегруппировку в район Богодухова.

Продвигаясь за танковыми армиями, войска 6-й гвардейской армии к 11 августа вышли северо-восточнее Краснокутска, а 5-я гвардейская армия охватила Харьков с запада. Войска Степного фронта к этому времени подошли к внешнему оборонительному обводу Харькова с севера, а 57-я армия, переданная этому фронту 8 августа, - с востока и юго-востока.