Остановиться войска верховного правителя России смогли только на рубеже реки Тобол. Здесь 5-й армии была поручена главная задача: форсировав реку, овладеть Петропавловском и, разгромив противостоявшую ей 3-ю армию белых под командованием генерала К. В. Сахарова, идти на колчаковскую столицу Омск. 20 августа она форсировала Тобол и вышла на дальние подступы к Петропавловску, пройдя за короткий срок до 180 километров. Действовать приходилось в казачьих районах, где население в большинстве было настроено к большевикам враждебно. Поэтому Тухачевскому пришлось создать Троицкий и Кокчетавский укрепленные районы для защиты флангов армии от казачьих партизанских отрядов. Командарм вел наступление в двух направлениях — вдоль тракта Звериноголовская — Петропавловск, где наносился главный удар, и по железной дороге Курган — Петропавловск, рассчитывая охватить противника и принудить его к быстрому отходу. Командующий Восточным фронтом В. А. Ольдерроге, бывший генерал, настаивал на ином решении — концентрации всех сил армии в направлении железной дороги, где была сосредоточена основная группировка белых. Кроме того, он учитывал, что тракт проходил по казачьим районам, где можно было ожидать особо сильного сопротивления. Тухачевский, как обычно, поступил по-своему, продолжая действовать основными силами армии в направлении Звериноголовская — Петропавловск. Позднее, в 1935 году, в опубликованной в «Красной Звезде» статье «На Восточном фронте» он не пожалел черных красок для бывшего комфронтом, арестованного еще в начале 30-х в рамках чистки Красной Армии от бывших царских офицеров и потому не удостоенного теперь удостоверяющего благонадежность обращения «товарищ»: «Трудно понять, где выискивал Троцкий таких людей! Человек никому не известный, в лучшем случае бездарный, — Ольдерроге сделал все от него зависящее, чтобы наше неотступное преследование Колчака сорвалось». Да, умел Михаил Николаевич тонко намекнуть, что его оппонент — быть может, саботажник и скрытый враг Советской власти!
Ольдерроге настаивал на возвращении к своему плану и соответствующей перегруппировке войск. Как вспоминал Тухачевский, «произошла крепкая телеграфная перепалка, но Ольдерроге категорически настоял на перегруппировке. Белые учли эту ошибку. Уже на подступах к Петропавловску они перешли в контрнаступление, сковали части 5-й армии с фронта, а на правый фланг и тыл двинули с юга две пехотные дивизии», вновь сформированный Сибирский казачий конный корпус сибирского атамана генерала П. П. Иванова-Ринова и конную группу генерала Доможирова. Корпус сибирских казаков разбил одну из бригад 26-й стрелковой дивизии, опрокинул войска Тухачевского и погнал их назад, к Тоболу. «Никому не известный, в лучшем случае бездарный» Ольдерроге спас легендарных «пятоармейцев» от разгрома, подкрепив армию Тухачевского дивизией из фронтового резерва и бросив против левого фланга ударной группы белых соединения 3-й армии, также форсировавшей Тобол. Благодаря этому 5-я армия отошла за реку без больших потерь и удержала плацдарм на правом берегу Тобола. 14 октября, пополненная за счет мобилизации рабочих Челябинска и других уральских городов и вновь сформированной кавалерийской дивизии, 5-я армия перешла в наступление и 29 октября овладела Петропавловском. Противник в беспорядке отступал к Омску. Здесь опять возник конфликт между Ольдерроге и Тухачевским. Командарм-5 хотел бросить кавалерийскую дивизию на перехват путей отхода белых от Омска, но командующий фронтом настоял, чтобы она была направлена для обеспечения правого фланга армии со стороны Кокчетава. Трудно сказать, кто же из них в действительности был прав. С одной стороны, фланговая угроза оказалась значительно преувеличенной: казаки отступили от Кокчетава на Акмолинск. С другой стороны, как признавал сам Тухачевский, в ходе операции действия кавалерийской дивизии «не носили характера достаточной решительности», вследствие чего она «не достигла всех тех результатов, которых… могла достигнуть». Так что вряд ли бы этой дивизии удалось предотвратить отход из Омска основных колчаковских сил. Скорее ей грозило бы поражение. Во всяком случае, на исход операции отсутствие кавдивизии в тылу омской группировки не оказало существенного влияния. 14 ноября 1919 года столица верховного правителя России пала под ударами 3-й и 5-й советских армий. На пути от Петропавловска до Омска было взято 45 тыс. пленных, в самом Омске было захвачено еще 16 тысяч раненых и больных тифом колчаковских солдат и офицеров.