В результате боев, длившихся весь день, разведывательные батальоны на ряде участков преодолели полосу заграждений и овладели первой линией траншей, которая, как и предполагалось, была занята лишь небольшими силами немцев. Далее наступающие батальоны подошли ко второй линии, где располагались уже основные силы противника. В результате боевой деятельности этих батальонов советское командование точно установило истинный передний край обороны противника и его огневую систему. Это дало возможность уточнить задачи артиллерии, авиации и танкам. Советская артиллерия и авиация, внеся необходимые поправки в ранее подготовленные данные артиллерийского и авиационного наступления, тем самым избежали ведения массированного огня по слабо занятой противником первой линии траншей, являвшейся своеобразным ложным передним краем.
Оборонительные сооружения противника (блиндажи, окопы, огневые позиции, минные поля, проволочные заграждения) оказались разрушенными. Пехотные части и артиллерия (в особенности противотанковая) были частично уничтожены, а частично настолько подавлены, что потеряли способность к организованному сопротивлению. Передний край неприятельской обороны был буквально поднят в воздух. Вследствие этого советские войска в первую половину дня имели ничтожные потери.
В 6.05 войска 11-й гвардейской армии атаковали оборонительные позиции противника. Немцы, подавленные мощной артиллерийской и авиационной подготовкой, вначале почти не оказывали огневого сопротивления. Кроме того, непосредственно перед началом атаки самолетами 1-й воздушной армии над передним краем была поставлена дымовая завеса из фосфорных бомб. Благодаря этому пехоте, следуя за огневым валом, удалось сблизиться с вражескими траншеями на 100–150 метров, изготовившись к дальнейшему броску в атаку. Двигаясь почти в полный рост за огневым валом артиллерии, вместе с танками прорыва она ворвалась в еще окутанные дымом немецкие траншеи. Уже к 7.00 передний край обороны противника был прорван.
Только во второй половине дня противник, оправившись от первого мощного удара, стал оказывать сопротивление в глубине обороны, опираясь на заранее подготовленные позиции. Также германским командованием поначалу был недооценен удар 11-й гвардейской армии. Активность самолетов 6-го воздушного флота на этом направлении была минимальной. В этих условиях необходимо было ускорить темп наступления, чтобы не дать противнику закрепиться и организовать прочную оборону на тыловом рубеже. Учитывая это, И.Х. Баграмян приказал ввести в прорыв 5-й танковый корпус. Танковый корпус генерал-лейтенанта М.Г. Сахно был хорошо укомплектован и готов к бою: в его составе насчитывалось 131 Т-34, 25 «Валентайна» и 23 Т-70.
В 17.00 12 июля 5-й танковый корпус вошел в прорыв и устремился на юг. К 20.00 части корпуса подошли к северным окраинам Ульянова и Речицы. Однако памятуя горький опыт предыдущих сражений, советские танковые командиры в 1943 г. действовали еще очень осторожно. Темнота и отсутствие точных данных об организованной здесь немцами противотанковой обороне не благоприятствовали продолжению наступления. Генерал Сахно решил за ночь тщательно разведать позиции противника и с утра во взаимодействии с пехотой прорвать тыловой рубеж обороны немцев. Тем не менее общий итог первого дня боев был ободряющий: 11-й гвардейской армии удалось на фронте 14 км вклиниться в немецкую оборону на 10–12 км. На следующий день свое веское слово должны были сказать танки. Во втором эшелоне за 5-м танковым корпусом сосредотачивался 1-й танковый корпус генерала Буткова, насчитывавший боеготовыми 121 Т-34, 36 Т-70, 13 Т-60, 13 СУ-122 и 8 СУ-76. Это было свежее соединение, не участвовавшее в боях с весны 1943 г.
Выйдя на исходные позиции еще ночью, 1-й танковый корпус первым начал боевые действия ранним утром 13 июля. Начав атаку в 7.40 утра, корпус подошел к деревне Старица. Однако в 300 м к северу от деревни танки остановились перед противотанковым рвом. Обойти его мешали непроходимые для танков овраги. Под сильным огнем советским саперам удалось пробить проходы во рву только к 17.00 того же дня. Фактически весь день корпус топтался на месте, потеряв 10 танков сгоревшими и 13 подбитыми и 350 человек убитыми и ранеными.