Передовые подразделения форсировали реку Оку и ворвались в западную часть города. Пока шли уличные бои, правое крыло 3-й армии (А.В. Горбатов) прорвало сильно укреплённый оборонительный рубеж противника на реке Неполодь и обошло город с запада. Левое крыло 63-й армии ударом с юга на Саханский завершило окружение орловской группировки немцев.
На Белгородском направлении Красная Армия продвинулась вперед на 10 километров и серьёзно улучшили свои позиции.
Войска Степного фронта завязали бои на окраине Белгорода. После прорыва главной оборонительной полосы противника севернее Белгорода 69-я армия (В.Д. Крюченкин) к исходу 4 августа вышла на рубеж Оскочное, Чёрная Поляна. К этому времени правофланговые части 7-й гвардейской армии (М.С. Шумилов) в результате упорного боя ликвидировали Михайловский плацдарм немцев и вышли на восточный берег реки Северный Донец восточнее города. Передовые соединения армии из района Старый Город переправились через реку и завязали бои на северо-восточной окраине Белгорода. К исходу 4 августа немецкое командование, почувствовав угрозу окружения белгородской группировки войсками Воронежского фронта, начало отвод своих войск.
В ходе Белгородско-Харьковской операции с утра стрелковые части 6-й гвардейской армии (И.М. Чистяков) повели наступление на Томаровку с севера. В результате упорных боёв к исходу дня советские войска ворвались на северную окраину Томаровки и обошли её с запада. Одновременно наступая вдоль восточного берега реки Ворскла, части 6-й гвардейской армии завязали бои на северо-восточной окраине Томаровки.
В ночь на 4 августа соединения 8-го гвардейского механизированного корпуса прорвали вторую полосу обороны противника в районе Домнино и начали стремительно продвигаться на юг.
На всех фронтах наши войска в этот день подбили и уничтожили 98 немецких танков. В воздушных боях и огнем зенитной артиллерии сбито 168 самолетов противника.
Командир танкового взвода 231-го отдельного танкового полка старший лейтенант Михаил Моисеевич Антонов 14 июля – 4 августа в боях на подступах к Орлу проявил исключительное мужество и героизм. Отважный офицер-танкист с вверенным ему взводом танков Т-34, семь раз атаковал неприятеля, прокладывая путь советской пехоте.
Старший лейтенант лично подбил пять вражеских танков, подавил четыре орудия, уничтожил более четырёх десятков солдат противника. Утром 4 августа его танковый взвод, несмотря на губительный огонь гитлеровцев, вырвался на передний край их обороны на восточной окраине Орла. Экипаж танка Антонова первым вступил в бой, уничтожив несколько десятков вражеских солдат и раздавив гусеницами противотанковое орудие. Это практически предрешило исход боя. Но внезапно по левому борту «тридцатьчетвёрки» взводного Антонова ударило одно из замаскированных немецких орудий. Боевая машина получила несколько прямых попаданий и загорелась…
Антонов успел покинуть горящий танк, и тут же его и других воинов прижал к земле вражеский пулемётчик. В этот критический момент боя Михаил Антонов бросился на дуло изрыгающего смерть пулемёта и ценой своей жизни заставил его замолчать.
Особо отличился в боях под Белгородом 3–4 августа сержант, командир пулеметного отделения 548-го стрелкового полка Иван Спиридонович Немцев. Ведя огонь из станкового пулемёта, сержант уничтожил семь вражеских огневых точек, чем обеспечил продвижение вперёд стрелковых подразделений.
Совершил к этому времени 57 боевых вылетов на бомбардировщике Пе-2 на бомбардировку важных объектов противника (из них 25 вылетов одиночно на разведку и фотографирование в интересах артиллерийского командования) Борис Владимирович Панин, гвардии младший лейтенант, командир звена 82-го гвардейского бомбардировочного авиаполка. К августу 1943 года совершил 57 боевых вылетов на бомбардировщике Пе-2 на бомбардировку важных объектов противника (из них 25 вылетов одиночно на разведку и фотографирование в интересах артиллерийского командования). Сбил 3 вражеских самолёта. 4 августа Панин и члены его экипажа – штурман Д.М. Адамянец и стрелок-радист В.П. Ермолаев – погибли при выполнении боевого задания в небе над Белгородом.
Расчет командира орудия 124-го гвардейского артполка Николая Кирилловича Пархоменко в боях в районе хутора Яконтов (Яковлевский район Белгородской области), около с. Карташевка, в районе хутора Новочеркасск, при овладении станцией Томаровка (Курская область) уничтожил 8 танков, 2 орудия, много другой техники и живой силы противника, чем способствовал устойчивости нашей обороны, а затем продвижению вперед стрелковых подразделений.