Положение казалось Леебу уже безнадежным, но неожиданно 1-й танковой дивизий 41-го корпуса удалось найти слабое место в советской обороне. На новгородско-чудовском направлении, где противник наносил свой главный удар, войска 48-й армии Северо-Западного фронта в течение трех дней отбивали ожесточенные атаки. Противник, обладавший здесь почти трехкратным превосходством в силах и полным господством в воздухе, на четвертый день наступления прорвал в районе Шимска на узком участке оборону наших войск и устремился на Новгород. Соединения и части 48-й армии, оборонявшиеся на новгородском направлении, дезорганизованные ударами вражеской авиации, начали отходить на север. Позднее по указанию Ставки они были переданы в состав Северного фронта.
В образовавшийся прорыв Рейнгардт направил 6-ю танковую и 1-ю пехотную дивизии. Туда же Гепнер приказал перебросить 3-ю моторизованную, а затем и 8-ю танковую дивизии. Противнику удалось захватить станцию Батецкая и, обойдя 235-ю стрелковую дивизию, развить наступление на северо-запад и север.
Для обороны Новгорода была срочно сформирована Новгородская оперативная группа (2 полка и стрелковая дивизия), которой совместно с 28-й танковой дивизией полковника И. Д. Черняховского удалось удержать восточную (заречную) часть Новгорода. Западная часть Новгорода 16 августа была захвачена 1-м армейским корпусом вермахта. Противник, оставив в западной части города заслон, начал развивать наступление по левому берегу реки Волхов.
Оставив заслон в западной части Новгорода, командующий 16-й немецкой армией направил основные силы на Чудово. 20 августа немцы захватили этот город, перерезав Октябрьскую железную дорогу. Затем 1-й и 28-й армейские корпуса противника устремились к Ленинграду с юго-востока, а 39-й моторизованный корпус — к Ладожскому озеру, рассчитывая соединиться там с финскими войсками, 4-я танковая группа и соединения 18-й немецкой армии продолжали продвигаться с юго-запада и с юга.
Отступление наших войск на новгородском направлении обусловливалось не только превосходством противника в силах и средствах, но и серьезными недочетами в организации обороны. Инженерная подготовка обороны советских войск на этом направлении имела серьезные недостатки. Позиции главной полосы обороны были слабо оборудованы окопами, блиндажами и ходами сообщения. Крайне недостаточно применялись проволочные заграждения. При обороне армии на фронте протяжением 60 км и глубиною 35 км, при наличии в первом эшелоне 1-й дивизии народного ополчения, 237-й и 70-й стрелковых, 21-й танковой дивизий, 1-й горнострелковой бригады и в резерве 128-й стрелковой дивизии, объем выполненных оборонительных работ был недостаточен. Всего было построено 88 ДЗОТов, 4 разборные огневые точки, 705 стрелковых окопов, 328 пулеметных окопов и 154 окопа для противотанковых пушек; было установлено 22 000 мин, 12 550 погонных метров противопехотных и 22 000 погонных метров противотанковых препятствий. Таким образом, плотность инженерных сооружений на километр фронта составляла: ДЗОТов — 1,5, стрелковых окопов — 11,7, пулеметных окопов — 5,5, окопов для противотанковых пушек — 2,9. Плотность инженерных заграждений была совсем невелика: мин — 366 на километр фронта, противопехотных заграждений — 208 погонных метров, противотанковых препятствий — 360 погонных метров.
В обороне отсутствовали отсечные позиции. Противотанковые рвы не оборонялись войсками и немецкие танки легко их преодолевали. Фортификационные сооружения также создавались без учета возможности использования огневых средств и тактического взаимодействия родов войск. Большинство из них было подготовлено как огневые точки фронтального действия и очень мало — «кинжального» и флангового действия. Очень слабой была маскировка расположения войск, огневых позиций артиллерии и минометов. Хотя в этой операции уже наблюдалось более глубокое построение боевых порядков советских войск (все дивизии были расположены в 2 эшелона), однако позиции вторых эшелонов дивизий подготовлены не были, да и глубина армейской обороны была недостаточно развитой. Главный недостаток состоял в том, что в ходе оборонительного сражения на новгородском направлении советским войскам так и не удалось достичь тесного взаимодействия между родами войск — пехотой, танками, артиллерией. Все это привело к поражению оборонявших Новгород частей 48-й армии.
В это же время опять развернулись ожесточенные бои под Лугой. После мощной артиллерийской подготовки 56-й моторизованный корпус 4-й танковой группы атаковал 10 августа войска лужского участка обороны, стремясь захватить Лугу и двигаться на Ленинград. Но 177-я стрелковая дивизия, которой командовал полковник Л. Ф. Машошин, во взаимодействии с 24-й танковой дивизией, при поддержке артиллерии, действовавших под общим командованием генерал-майора А. Н. Астанина (командующего лужским участком обороны), сдержали натиск вражеских войск и нанесли им большие потери.