В послевоенных мемуарах многие советские военачальники (А.М. Василевский, М.И. Казаков, П.А. Ротмистров, И.Г. Лазарев и другие) называли виновниками неудачи июльского контрудара 5-й танковой армии друг друга и лично командарма А.И. Лизюкова, тем самым снимая ответственность от себя. Однако, по оценке военных историков, роль А.И. Лизюкова в провале операции сильно преувеличена. Они считают, что неудачу операции 5-й танковой армии предопределили ошибочные решения высшего советского командования, в том числе Ставки и Генерального штаба РККА. Тем не менее 15 июля директивой Ставки ВГК 5-я танковая армия была расформирована, а А.И. Лизюков понижен в должности до командира 2-го танкового корпуса. Он погиб 23 июня 1942 года во время боев на дальних подступах к Сталинграду.
К 9 июля немцы практически полностью овладели правобережной частью Воронежа. Стремясь предотвратить проникновение противника на левый берег реки Воронеж, 9 и 10 июля ударная группировка советских войск под командованием генерал-майора И.Д. Гришина со станции Отрожка нанесла сильный встречный удар по противнику. В ходе ожесточенных боев советским войскам удалось ненадолго занять значительный район на северо-востоке города. Однако успешное наступление 4-й танковой и 6-й армий противника вынудило советское командование отвести войска на левый берег Дона в районе Лиски – Павловск – Богучар.
Для предотвращения окружения частей Юго-Западного и Южного фронтов 11 июля войскам 40-й и 60-й армий Воронежского фронта Ставкой ВГК было приказано перейти в контрнаступление и отбить междуречье между Воронежем и Доном. По замыслу операции, соединениям 40-й армии генерал-лейтенанта М.М. Попова предстояло форсировать Дон у села Костенки и перехватить дорогу из Воронежа на Острогожск, а также ударами из района Придачи, Песчанки, Таврово выйти через Чижовку и Шиловский лес к Дону. 60-я армия генерал-лейтенанта М.А. Антонюка должна была разгромить гитлеровцев непосредственно в Воронеже, очистить от них весь правый берег Дона и захватить переправы в районе сел Семилуки и Малышево. Танковой группе А.И. Лизюкова предписывалось наступать в южном направлении через Землянск на Хохол и перехватить на правом берегу Дона коммуникации противника.
Эта операция была начата 12 июля 1942 года. В результате ожесточенных боев было освобождено село Подгорное к северу от Воронежа. Однако Ставка ВГК события в районе Воронежа оценивала негативно. В результате этого 14 июля Ф.И. Голикова в должности командующего Воронежским фронтом сменил генерал-лейтенант Н.Ф. Ватутин.
После взятии Подгорного Н.Ф. Ватутин приказал частям 161-й и 107-й стрелковых дивизий 60-й армии продолжать наступление в юго-западном направлении с тем, чтобы перехватить дорогу Подклетное – Воронеж и занять село Подклетное. Частям 195-й стрелковой дивизии было приказано овладеть аэропортом (современная улица Хользунова в Воронеже) и выйти в районы Коминтерновского кладбища, ипподрома и детской инфекционной больницы.
Бои за Воронеж носили ожесточенный характер. Потери немцев в ходе боев за этот город составили более 40 тысяч человек только убитыми. Правда, и советская 60-я армия также потеряла треть своей численности. За ошибки в управлении войсками ее командующий М.А. Антонюк был отстранен от занимаемой должности, а 24 июля 1942 года на его место был назначен генерал-майор И.Д. Черняховский.
Но по мере развертывания наступательной операции становилось ясно, что ее обширные задачи не могут быть выполнены, и к концу июля по приказу свыше она была прекращена. Обе стороны перешли к обороне и локальным позиционным боям. В результате боев линия фронта в междуречье Дона и Воронежа была спрямлена и сократилась с 30 до 12 километров. На всем протяжении Воронежской области река Дон разграничивала немецкие и советские войска, за исключением самого города Воронежа.
Правда, на этом битва за Воронеж не завершилась. 5 августа 1942 года советские войска захватили Сторожевский плацдарм на правом берегу реки Дон в районе сел Сторожевое, Селявное, хутор Титчиха. В августе – сентябре 1942 года там был создан так называемый Чижовский плацдарм, который удерживали части воронежского народного ополчения. С октября по декабрь 1942 года под Воронежем велись бои, которые сковывали почти 10 дивизий 2-й немецкой армии, отвлекая эти силы от действий на Сталинградском направлении.