В 5 час. 30 мин. 5 июля 1943 г. войска 9А силами 86, 292, 6 пд, 18 тд 41 тк и 20 тд 47 тк с рубежа 3 км сев.-зап. нп Согласный — Ниж. Тагино перешли в наступление против 81 и 15 сд 13А в общем направлении на Ольховатку. Их действия обеспечивались наступлением: на левом фланге 216 и 78 пд против 8 и 148 сд с рубежа Красн. Слободка — 3 км сев.-зап. нп Согласный в направлении на Малоархангельск; на правом фланге 31, 7, 258 пд против 132 сд и правого фланга 280 сд 70А с рубежа иск. Ниж.Тыгино — 2 км сев. Измайлово в направлении на Гнилец. Наступление поддерживалось ударами авиации по переднему краю главной полосы обороны 13А и правого фланга 70А.
Бои за удержание главной полосы обороны носили ожесточенный и упорный характер. Фронтовая авиация, оказывая поддержку оборонявшимся войскам, произвела 520 самолето-вылетов в течение первых 6 часов операции. Одновременно командующий 13А осуществил маневр резервами, выдвинув на вторую полосу обороны (наиболее угрожаемое направление), в район Поныри, танковый полк и два подвижных отряда заграждения. Для наращивания усилий в обороне командующий войсками фронта передал 13А две истребительно-противотанковые, одну гаубичную артиллерийскую и одну минометную бригады.
Однако противнику удалось к исходу 5 июля прорвать главную полосу обороны на участке Малоархангельск—Подолянь, вклиниться на 6—8 км и подойти ко второй полосе обороны по рубежу Бузулук—Саборовка. В направлениях на Малоархангельск и Гнилец противник имел меньший успех, не завершив прорыва главной полосы обороны.
С начала суток 6 июля началась подготовка контрудара по вклинившейся группировке противника. Для его проведения 17 гв.ск и 16 тк выдвигались в район Ольховатка, 19 тк — в район Самодуровка. Огневое обеспечение контрудара планировалось основными силами 16 ВА, силами артиллерии усиления 13А, частью сил 70А и фронтовых резервов.
С утра 6 июля войска 17 гв.ск и 16 тк при поддержке фронтовой авиации приступили к выполнению контрудара. Однако 19 тк не смог своевременно выйти к назначенному рубежу ввода в сражение и начал действия только с 20.00 6 июля. Ввиду несогласованности действий контрудар успеха не имел, задача восстановить положение на левом фланге 13А не была решена.
Во второй половине дня 6 июля противник ввел в сражение 6 тд в районе Поныри для прорыва второй полосы обороны. Однако своевременный маневр резервами 13А (13 иптабр, ПОЗ-20) и фронта (11 минбр, 46 лабр, иптап-1) существенно повысили устойчивость обороны. Наступление противника, в котором участвовали 2 пехотные дивизии и до 200 танков, успеха не имели.
В течение 6, 7 и 8 июля продолжались упорные бои за вторую полосу обороны. Наибольшей ожесточенности они достигли 8 июля, когда противник ввел в сражение 2 тд в районе Самодуровка и 4 тд в районе Поныри. Существенно нарастив усилия, противник к исходу 8 июля вклинился во вторую полосу обороны сев. нп Ольховатка, но прорвать ее не смог. В сражение к этому времени были введены все силы ударной группировки 9А (пд-7, тд-5), за исключением 12 тд, 10 мд, 36 пд. Поскольку наращивание усилий решительного успеха не давало, командующий 9А имел намерение произвести частичную перегруппировку сил, изменить направление главного удара, нарастить усилия вводом в сражение всех резервов и после короткой оперативной паузы 12 июля возобновить наступление, завершить прорыв второй полосы обороны 13А и выйти в оперативную глубину обороны Центрального фронта.
Однако 11 июля частью сил Западного и Брянского фронтов были предприняты наступательные действия против войск 2ТА на орловском выступе. Командование группы армий «Центр» было вынуждено отдать распоряжение прекратить наступление 9А и перейти к обороне на достигнутых рубежах. План прорыва обороны Центрального фронта и развития наступления на Курск с севера был сорван. Противник вклинился в оборону 13А на участке 35 км по фронту, максимальная глубина вклинения составляла 10—12 км. Линия фронта стабилизировалась по рубежу Тросна — сев. нп Поныри — Карпуньевка — сев. нп Ольховатка — сев. нп Самодуровка — Измайлово.
Войска Центрального фронта приступили к непосредственной подготовке контрнаступательной операции.