Особенностью явилось 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 поддержки 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 стрелковых соединений 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.
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. Ее 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.
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 врага 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 своем направлении.
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[217].
Войска 40-й и 27-й армий, продолжая развивать наступление, к 11 августа вышли на рубеж Боромля, Тростянец, Ахтырка.
Главные силы 1-й танковой армии к 10 августа достигли рубежа реки Мерчик[218]. 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.
Германское командование, опасаясь окружения харьковской группировки, к 11 августа сосредоточило юго-восточнее Богодухова три танковые дивизии («Рейх», «Мертвая голова», «Викинг») и утром 12 августа нанесло контрудар по наступающим войскам 1-й танковой армии в общем направлении на Богодухов[219]. Развернулось встречное танковое сражение. В ходе его противник потеснил соединения 1-й танковой армии на 3–4 км, но прорваться к Богодухову не смог. С утра 13 августа были введены в сражение основные силы 5-й гвардейской танковой, 6-й и 5-й гвардейских армий[220]. Сюда же были направлены главные силы фронтовой авиации. Она вела разведку и проводила операции по срыву железнодорожных и автомобильных перевозок гитлеровцев, содействовала общевойсковым и танковым армиям в отражении контрударов вражеских войск. К исходу 17 августа советские войска окончательно сорвали контрудар противника с юга на Богодухов.