Попытка вновь ввести в бой 1-й гв. танковый корпус на этот раз в полосе 63-й армии успеха не принесла. Рендулич позднее писал: «15 июля, в день, который мы ждали с волнением, русские вдруг приостановили свое наступление». Однако это была лишь передышка. С 11 по 15 июля 1943 г. ударная группировка 3-й армии понесла чувствительные потери. Три стрелковые дивизии потеряли почти 7,5 тыс. человек, в том числе 2,2 тыс. человек убитыми и пропавшими без вести. Это привело к существенному снижению численности непосредственно ведущих бой батальонов и рот. Наступательный потенциал армии Горбатова заметно уменьшился.
Новый импульс замедлившемуся наступлению должен был придать передаваемый в 3-ю армию 25-й стрелковый корпус из двух дивизий. Также вновь изготовился к быстрому броску вперед 1-й гв. танковый корпус. Маховик сражения раскручивался все быстрее. Резервы вводились в бой не только с советской стороны, но и с немецкой. В тот же день, 16 июля, XXXV корпус получил 2-ю и 8-ю танковые дивизии из 9-й армии. Сражение разгорелось с новой силой. Ввод в бой свежих сил позволил Брянскому фронту отвоевать еще несколько километров и остановиться на рубеже реки Олешня. Однако усиление немецкой обороны и удары люфтваффе вновь разрушили надежды советского командования на перелом в сражении за Орел.
В этих условиях было решено ввести в бой самый сильный козырь, самый мощный резерв Ставки ВГК на орловском направлении — 3-ю гвардейскую танковую армию генерала П. Рыбалко. Решение о ее использовании было наконец принято верховным командованием: армия передавалась Брянскому фронту. Сильным танковым ударом, словно молотом, советское командование рассчитывало сокрушить немецкую оборону на подступах к Орлу. Горбатов оказался провидцем: именно в полосе его войск в итоге вводилась в бой танковая армия. Планирование нового наступления столкнулось со старой проблемой: ввод танков в бой с рубежа небольшой, но труднопреодолимой для бронетехники вброд речки. Задачей пехоты 3-й армии стало образование плацдарма на западном берегу реки Олешня, с которой могли начать наступление танковые соединения Рыбалко.
К моменту ввода в бой 3-я танковая армия была свежим, хорошо укомплектованным объединением из двух танковых и одного механизированного корпусов. 12-й танковый корпус насчитывал исправными 127 Т-34, 70 Т-70 и 16 СУ-122, 15-й танковый корпус — 129 Т-34, 68 Т-70 и 16 СУ-122, 2-й механизированный корпус — 161 Т-34 и 56 Т-70, 91-я отдельная танковая бригада — 30 Т-34 и 20 Т-70. Это практически соответствовало тогдашним штатам советских танковых войск. Всего в армии Рыбалко было 461 Т-34, 220 Т-70 и 16 СУ-122. Наиболее серьезной проблемой была нехватка автотранспорта. Так, из 1214 положенных по штату автомашин 12-й танковый корпус имел к началу боев всего 854 штуки. Это существенно снижало его маневренность, часть мотопехоты была таковой лишь по названию — вместо грузовиков мотострелки были вынуждены двигаться пешком.
Маркиан Попов поставил армии Рыбалко следующую задачу: «3-й гвардейской танковой армии, используя успех наступления 3-й и 63-й армий, с утра 19 июля наступать в направлении Бортное, Становая, Становой Колодезь, Кромы и, действуя по тылам противника против Центрального фронта во взаимодействии с ним уничтожить его». Тем самым танковой армии ставилась амбициозная задача в интересах не только Брянского фронта, но и Орловской дуги в целом.
Наступление 3-й и 63-й армий на Орел возобновилось в 8.00 19 июля с короткого, но энергичного артналета. Пехота недавно введенного в бой 25-го стрелкового корпуса 3-й армии за три часа боя углубилась в расположение противника на 3–4 км и расширила прорыв в сторону флангов до 8-10 км. Немцы были оттеснены от реки на запад в достаточной степени, чтобы без помех переправить через нее танки. Около полудня танки Рыбалко обогнали наступающие стрелковые части. Углубившись в оборону противника, два танковых корпуса повернули на юго-восток — их задачей был прорыв южнее Орла в тыл 9-й армии. Несмотря на то что пехота обеспечила плацдарм, прорыва фронта не было. Немецкие части лишь оттеснили от реки. Поэтому танковым корпусам армии Рыбалко пришлось взламывать немецкую оборону. Быстрого прорыва в тыл 9-й армии не произошло. Танковые корпуса понесли тяжелые потери. Так, в 15-м танковом корпусе к исходу дня 19 июля осталось на ходу всего 32 Т-34 и 42 Т-70 (из 129 Т-34 и 68 Т-70 по состоянию на начало дня). Тем не менее удар 3-й гвардейской танковой армии произвел сильное впечатление на немцев. Под угрозой окружения оказалось левое крыло XXXV корпуса под Мценском. В этих условиях немецкое командование принимает решение отходить на ближние подступы к Орлу, на рубеж реки Ока.