В район Воронежа из резерва 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 ХХХХ 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 дивизия, один полк РГК 76-мм орудий УСВ, гвардейский минометный полк установок РС М-8 и М-13. Отличия от моторизованного корпуса видны невооруженным глазом. В составе немецкого корпуса присутствует тяжелая артиллерия от 10-см пушек до 210-мм мортир. В советской танковой армии она заменена на универсальные орудия и реактивную артиллерию с куда более скромными возможностями.
В ночь на 3 июля соединения 5-й танковой армии заканчивали сосредоточение к югу от Ельца. В ночь на 4 июля ее командующий А.И.Лизюков получил из Москвы директиву, обязывающую «ударом в общем направлении Землянск, Хохол (35 км юго-западнее Воронежа) перехватить коммуникации танковой группировки противника, прорвавшейся к реке Дон на Воронеж; действиями по тылам этой группы сорвать ее переправу через Дон».
Как это обычно происходит при спешно организуемых контрударах, армия А.И.Лизюкова вступила в бой по частям. Первым 6 июля пошел в бой 7-й танковый корпус, потом 11-й танковый корпус (8 июля) и, наконец, 2-й танковый корпус (10 июля). Корпуса вступали в бой, не имея возможности провести разведку, полностью сосредоточиться. Находившаяся в полосе наступления армии А.И.Лизюкова река Сухая Верейка не оправдала своего названия и встретила наступающие танки заболоченной поймой.
Однако следует заметить, что контрудар 5-й танковой армии строился на изначально неверном предположении о том, что наступающие немецкие танковые корпуса будут далее двигаться через Дон и Воронеж на восток. Такой задачи у них не было. Соответственно вместо характерного для наступления растягивающего фланги движения вперед они остановились перед Доном на плацдарме у Воронежа и заняли оборону. Более сотни вооруженных 60-калиберными 50-мм орудиями танков 11-й танковой дивизии были серьезным противником для наступающих советских танковых бригад и танковых корпусов.
Что армия А.И.Лизюкова могла в этой ситуации сделать, это максимально задержать смену танковых соединений на пехотные. Такая задача ею была выполнена. 10 июля Гальдер делает в своем дневнике следующую запись:
«Северный участок фронта Вейхса снова под ударами противника. Смена 9-й и 11-й танковых дивизий затруднена».
В целях освобождения 4-й танковой армии немецкое командование вынуждено было направить к Воронежу XXIX армейский корпус 6-й армии, ослабив наступательные возможности армии Ф.Паулюса против войск Юго-Западного фронта. Смена постоянно атакуемых дивизий действительно проходила с большими сложностями. В частности, 11-я танковая дивизия сменялась на ранее не бывавшую в боях 340-ю пехотную дивизию, дитя немецкой «перманентной мобилизации». Сражение под Воронежем завершилось, оставив поля, заставленные дымящимися остовами танков. Уходящие на Сталинград танковые соединения немцев одарили своеобразным «поцелуем смерти» советские танковые войска, как бы намекая, что летняя кампания не обещает быть легкой. Бои под Воронежем перешли в позиционную фазу. 15 июля директивой Ставки ВГК 5-я танковая армия расформировывается, а А.И.Лизюкова согласно той же директиве предлагалось «назначить командиром одного из танковых корпусов». 25 июля 1942 года командующий 5-й танковой армией А.И.Лизюков сам сел в танк KB и повел подразделение в атаку, намереваясь пробить брешь в обороне противника у села Сухая Верейка и вывести из окружения часть, принадлежащую его армии. KB А.И.Лизюкова был подбит, и командующий одной из первых советских танковых армий погиб.
Для удобства управления войсками, действовавшими на воронежском направлении, решением Ставки ВГК 7 июля был образован Воронежский фронт, в состав которого были включены 60 (бывшая 3-я резервная армия), 40-я и 6-я (бывшая 6-я резервная армия) армии, 17, 18-й и 24-й танковые корпуса. Командующим фронтом был назначен генерал-лейтенант Н.Ф.Ватутин, членом Военного совета — корпусный комиссар И.З.Сусайков, начальником штаба — генерал-майор М.И.Казаков. Ф.И.Голиков был понижен в должности и стал заместителем командующего Воронежским фронтом. На вновь созданный фронт возлагалась задача прикрыть направления на Тамбов и Борисоглебск. На ответственности войск Брянского фронта, состоявшего из 3, 48, 13-й и 5-й танковой армий, оставалась задача прикрытия южных подступов к Москве. Командующим этим фронтом в середине июля был назначен выздоровевший после ранения в марте 1942 г. генерал-лейтенант К.К.Рокоссовский, членом Военного совета — полковой комиссар С.И.Шалин, начальником штаба — генерал-майор М.С.Малинин. Бои под Воронежем были богаты на кадровые перестановки. За неудачи в организации контрудара силами 23-го танкового корпуса командующий 28-й армией Д.И.Рябышев был снят с должности, и его место занял командир 3-го гвардейского кавалерийского корпуса В.Д.Крюченкин.
Важные организационные изменения произошли также в руководстве немецкими войсками на южном секторе советско-германского фронта. Как это было запланировано ранее, 7 июля 1942 г. группа армий «Юг» была разделена на группы армий «А» и «Б». Группу армий «Б», включавшую в себя 4-ю танковую (Гот), 6-ю (Паулюс) и 2-ю (Вейхс) армии, 8-ю итальянскую армию (Гарибольди) и 2-ю венгерскую армию (Яны), возглавил Федор фон Бок. Для группы армий «А» с весны 1942 г. готовился штаб под командованием маршала Вильгельма Листа. В подчинении группы армий «А» поступили 1 -я танковая армия (Клейст) и армейская группа Руофа (17-я армия и 3-я румынская армия).