Планируя эту операцию, генерал Сахаров предполагал заманить в ловушку советскую 5-ю армию, преднамеренно сдав город Челябинск и одновременно нанеся удары севернее и южнее города. Обе группы должны были перейти в наступление 25 июля и окружить втянувшиеся в город красные войска. Опасность проведения столь сложной операции и большой риск неудачи во внимание не принимались. Более того, для проведения этой операции генералом Лебедевым были без согласия Дитерихса привлечены из тыла последние резервы – 11-я, 12-я и 13-я Сибирские стрелковые дивизии. То, что они еще не закончили обучение и состояли по существу из неопытных новобранцев, в расчет принято не было. Не смогло командование и выявить существовавшие в каждом из этих новых полков подпольные коммунистические ячейки. В результате разразилась катастрофа: как только дивизии были вывезены на фронт, в первом же бою бо́льшая часть их перебежала на сторону красных, убивая по дороге собственных офицеров. 13-я Сибирская дивизия оказалась в этом отношении несколько получше – она потеряла «всего лишь» три четверти своего состава и, по крайней мере, сохранилась как боевое соединение; две же другие были через неделю расформированы, поскольку в них осталось по 200 штыков в каждой. Так бездарно были погублены последние резервы, а оставшихся сил не хватило для исполнения задуманного плана, что и стало основной причиной неудачи Челябинской операции.
Известия об этих самовольных действиях привели Михаила Константиновича в ярость, но он был бессилен остановить уже развернувшееся сражение. Однако на будущее он потребовал предоставить ему всю полноту власти над войсками фронта. И 9 августа адмирал Колчак, в дополнение к должности Главнокомандующего Восточным фронтом, своим приказом за № 172 назначил генерала Дитерихса также временно исполняющим обязанности начальника Штаба Верховного Главнокомандующего и военного министра.
Перед Дитерихсом стояла задача остановить продвижение красных, перехватить у них инициативу, а при благоприятных условиях – и отбросить противника назад за Урал. Кроме того, выяснилось, что советское командование после сражения под Челябинском сняло со своего Восточного фронта несколько дивизий и перебросило их на юг, против Деникина, который в это время развивал успешное наступление на Москву. Нужно было помочь Деникину, оттянув на себя часть красных сил. Все это в совокупности заставило Дитерихса решиться на новую попытку наступления.
Но для этого сначала надо было стабилизировать фронт, остановить непрерывный отход. И тогда Михаил Константинович задумал смелый маневр. Прикрываясь частью своих сил, он снял с фронта пять стрелковых дивизий и передислоцировал их в район Петропавловска для отдыха и пополнения. Кроме того, еще одна дивизия пополнялась и развертывалась в ближайшем тылу. Как только отходящие войска достигли линии реки Ишим и города Петропавловска, отдохнувшие дивизии немедленно влились в боевую линию, и 2 сентября войска всех трех армий без промедления, одновременно перешли в решительное наступление.
На этот раз сражение было подготовлено куда тщательнее, чем под Челябинском. Атаман Сибирского Казачьего Войска генерал П. П. Иванов-Ринов объявил «сполох» и сумел поднять по станицам все население до 50-летнего возраста. Из них был сформирован конный Сибирский казачий корпус, который вместе с пластунскими частями составил Степную группу генерала Лебедева. Эта группа совместно с Уральской группой генерала В. Д. Косьмина была заранее скрытно сосредоточена южнее железной дороги Курган – Петропавловск – Омск с задачей выйти во фланг и тыл 5-й армии красных.
Однако ожесточенное сражение пошло не совсем так, как было задумано. На второй его день красные нашли в полевой сумке убитого ординарца копию приказа Дитерихса и своевременно успели перебросить силы на атакуемый фланг. Роковую роль сыграло здесь также и то, что возглавивший Сибирский казачий корпус генерал Иванов-Ринов не обладал ни талантом, ни дерзостью, необходимыми для настоящего кавалерийского начальника. Он не решился смело прорвать фронт и уйти в рейд по красным тылам, а вместо этого после нескольких мелких тактических успехов вывел казаков «на отдых». Узнав об этом, Колчак отрешил Иванова-Ринова от командования корпусом, но было уже поздно – советские войска успели выйти из-под удара. Столь же медленно развивалось наступление и на участках 1-й и 2-й армий, еще не успевших до конца оправиться от июньских и июльских поражений. Получилось, что основную тяжесть наступления пришлось принять на себя 3-й армии генерала Сахарова, а вместо охвата флангов удался мощный прорыв вдоль полотна железной дороги на Курган. Под ударами группировок Войцеховского, Каппеля и Косьмина красный фронт начал быстро подаваться назад.