Ставки ВГК также был направлен 18-й танковый корпус И.П.Корчагина. Одновременно было решено использовать для контрудара 5-ю танковую армию А.И.Лизюкова, перегруппировав ее из района Ефремова в район южнее Ельца для нанесения контрудара по флангу и тылу группировки немецких войск, наступавших на Воронеж. На усиление 5-й танковой армии Ставка ВГК дополнительно направила с Калининского фронта 7-й танковый корпус П.А.Ротмистрова.
С утра 3 июля противник продолжал развивать наступление. Армейская группа «Вейхс» главный удар наносила из района Касторное, Горшечное на Воронеж, выдвигая часть своих сил на рубеж Ливны, Тербуны. 6-я немецкая армия XXXX моторизованным корпусом развивала наступление из района Нового Оскола и Волоконовки в северо-восточном направлении.
Левофланговый XXIX армейский корпус 6-й немецкой армии двигался своими главными силами от Скородного на Старый Оскол, в районе которого он 3 июля соединился с частями 2-й венгерской армии, замкнув кольцо окружения вокруг шести дивизий левого фланга 40-й армии и правого фланга 21-й армии.
Войска 40-й и 21-й армий, попавшие в окружение, вынуждены были прорываться отдельными подразделениями и частями неорганизованно, при плохом обеспечении боеприпасами, при отсутствии единого командования окруженными войсками и при неудовлетворительном руководстве операцией со стороны командующих армиями.
Уже 4 июля завязались бои на подступах к Воронежу, а на следующий день 24-я танковая дивизия XXXXVIII танкового корпуса армии Г.Гота, форсировав р. Дон, ворвалась в западную часть Воронежа. Севернее 24-й дивизии форсировала Дон и образовала два плацдарма «Великая Германия». Прорыв в глубину обороны был столь стремительным, что Воронеж был захвачен уже 7 июля 1942 г., задача первой фазы операции была немцами выполнена. Уже 5 июля Вейхсу было приказано высвобождать подвижные соединения 4-й танковой армии в районе Воронежа и двигать их на юг.
Но до того как паровой каток 4-й танковой армии Г.Гота согласно плану «Блау» ушел на юг вдоль левого берега Дона, состоялся контрудар советской 5-й танковой армии. Выдвигающаяся в район Воронежа 5-я танковая армия была одним из двух объединений (3-й и 5-й) с таким названием, которые формировались по директивам Ставки ВГК от 25 мая 1942 г. Командующим 3-й танковой армии был назначен генерал-лейтенант П.Л.Романенко, командующим 5-й танковой армией – генерал-майор А.И.Лизюков. Советские танковые войска тогда находились еще в стадии копирования решений противника. Поэтому по своей организационной структуре танковая армия примерно соответствовала моторизованному корпусу немцев. Как мы знаем, в моторизованные корпуса входили танковые, моторизованные дивизии, разбавленные несколькими пехотными дивизиями. По тому же принципу были построены первые две советские танковые армии, и эта структура сохранялась до 1943 г. В состав 5-й танковой армии вошли 2-й и 11-й танковые корпуса, 19-я отдельная танковая бригада (это бронированное «ядро» танковых армий сохранится до конца войны), 340-я стрелковая
