Около 8 часов 20 минут (по московскому времени) 8 июля, после часовой артиллерийской подготовки, при поддержке артиллерийско-минометного огня и ударов авиации германские войска атаковали в южном и юго-западном направлении на узком участке от высоты 257 до Самодуровки. Немецкие самолеты бомбардировали всю глубину тактической зоны обороны противника, от Самодуровки и высоты 238.1 через село Теплое до высот в южной части гряды Ольховатского хребта: 244.9, 250, 272.9, 257.2, 274.5 (с севера на юг). Тем самым авиация показала направление главного удара танковых дивизий.
В 8:30 – 9:00 до полка панцер-гренадеров на бронетранспортерах при поддержке свыше 100 танков 2-й, 4-й и 20-й танковых дивизий перешли в наступление из района Подсоборовка, Курган против 140-й стрелковой дивизии и 3-й истребительной бригады. Они медленно, опасаясь минных полей, выходили из лощины севернее Ольховатки, на расстоянии около километра от первой линии траншей, занятых солдатами 96-го и 258-го полков 140-й стрелкой дивизии, и постепенно образовали сплошной боевой порядок вплоть до северо-восточной окраины Самодуровки. Установки «Фердинанд», танки «Тигр» и штурмовые орудия 654-го, 505-го, 245-го и 904-го батальонов (65-70 машин) были выстроены в линию вдоль дороги по высотам 231.5, 230.4, откуда вели огонь прямой наводкой по вражеским боевым порядкам. Командир 96-го полка полковник Александр Сергеевич Григорьев, находившийся на командно-наблюдательном пункте за два километра от немцев, перепутал скопление вражеских танков с домами и спросил у наблюдателей, что за деревня, не отмеченная на карте, появилась справа от Самодуровки. В этот момент, пользуясь медленным развертыванием противника в боевой порядок, советская полевая и реактивная артиллерия открыла заградительный огонь с Тепловских высот по ржаному полю на рубеже Самодуровка, Кашара. Когда до переднего края русских оставалось не более 300 метров и немецкие гренадеры покинули бронетранспортеры, на немцев обрушились тонны снарядов и раздался взрыв оглушительной силы. До 40 танков было уничтожено и повреждено, остальные отступили обратно в лощину, а немецкая пехота так и не встала, вся она лежала на земле.
Тогда с германской стороны последовал новый авиационный удар силами 40 – 50 пикирующих бомбардировщиков по советским огневым позициям, а также повторная получасовая артиллерийская подготовка. Вслед за этим около 10 часов боевая группа полковника Бурмейстера предприняла повторную атаку. Двигаясь под прикрытием огневой завесы, немцы по ржаному полю вплотную приблизились к позициям противника. Стрелковые батальоны 96-го и 258-го полков были уже расстроены артиллерийским и минометным огнем, связь батальонов с командными пунктами нарушена. Однако на ответственном направлении Самодуровка, Теплое, вероятно, наиболее важном для германского командования после трех дней сражения, в первом эшелоне советских войск по-прежнему находилась 3-я истребительная бригада общевойскового типа, которая и приняла на себя всю силу удара массы танков двух немецких танковых соединений (см. на рисунке).
На господствующих высотах 238.1 и 236, которые блокировали продвижение к югу – на Молотычи и высоту 274.5, занимали позиции 1-я и 7-я артиллерийские батареи 3-й истребительной бригады, усиливавшие ослабленные потерями части 15-й мотострелковой бригады 16-го танкового корпуса. Здесь же развернулся 1-й батальон противотанковых ружей 3-й истребительной бригады. В одном километре перед мостом через устье лога Широкого, с западной стороны Березового лога на севере Ольховатки, на высоте 234 по-прежнему находились 2-я артиллерийская батарея и 2-й батальон противотанковых ружей. Перед логом Широким на высоте 234.5 оставалась 3-я артиллерийская батарея. Западнее высоты 238.1, на подступах к Теплому, заняла позиции 6-я артиллерийская батарея, а на юго-восточной окраине Молотычей в резерве находилась 5-я артиллерийская батарея. Таким образом, наиболее удобное для продвижения танков плато между Самодуровкой, Теплым и северо-западной окраиной Ольховатки (Погореловцы) простреливалось фронтальным и фланговым артиллерийским огнем противотанковых орудий.