Подошедшие к полю сражения части 1-й танковой армии атаковали наступающие немецкие дивизии во фланг. Та же сводка группы армий «Юг» сообщала: «Крупные силы противника начали атаковать по фронту прикрытия в северо-восточном направлении (юго-вост. г. Ахтырка) с привлечением переброшенного с Орловской дуги 3-го гв. тк, 31-го тк, а также 7-й и 48-й гвардейских дивизий, переброшенных из района ГА «Север». Атаки были отражены. Одна только дивизия «Великая Германия» на этом участке подбила 100 танков противника». Тем не менее сильный нажим на XXIV танковый корпус позволил окруженным советским частям прорваться из окружения.
Заслон на пути прорыва 4-го гв. танкового корпуса у Колонтаева выставила дивизия СС «Мертвая голова». Имея превосходство как в людях, так и в технике, эсесовцы прочно закрепились в городе и его окрестностях. К Колонтаеву части 4-го гв. танкового корпуса подошли поздним вечером 20 августа. Как позднее отмечалось в отчете штаба корпуса: «Использовав внезапность, танки и самоходные орудия в течение первого получаса боя подожгли у противника 7 танков и много автомашин. Но обстановка сложилась не в пользу колонны частей корпуса, так как танки и артиллерия втянулись в улицу населенного пункта, где развернуться в процессе боя было очень трудно и вместе с этим у противника здесь уже было много танков, артиллерии, минометов, мотопехоты. Продолжая вести при свете пожаров ожесточенный уличный бой, часто переходящий в рукопашные схватки, отдельные группы бойцов под руководством офицеров ударами во фланг, обходя Колонтаев с севера и юга, начали обход группы танков и броневиков противника, скованной нашими танками и самоходными орудиями». Первым группам под прикрытием темноты удалось с потерями, но прорваться. С наступлением дня остальным подразделениям советского танкового корпуса пришлось разбиваться на мелкие отряды и просачиваться к своим по немецким тылам.
Однако 4-й и 5-й гв. танковые корпуса понесли большие потери в людях и технике в боях и при отходе из окружения. Так, к вечеру 22 августа в 5-м гв. танковом корпусе насчитывалось боеспособных всего 34 Т-34 и 3 Т-70, а в 4-м гв. танковом корпусе по состоянию на вечер 23 августа были боеспособны лишь 11 Т-34 и 8 МК III.
На следующий день сведения о произошедшем достигли Кремля. Сталин устроил Ватутину настоящий разнос. В отправленной поздно ночью 22 августа директиве Ставки ВГК было сказано: «События последних дней показали, что Вы не учли опыта прошлого и продолжаете повторять старые ошибки как при планировании, так и при проведении операций. Стремление к наступлению всюду и к овладению возможно большей территорией, без закрепления успеха и прочного обеспечения флангов ударных группировок, является наступлением огульного характера».
Верховный Главнокомандующий считал, что в результате допущенных командующим Воронежским фронтом ошибок «наши войска понесли значительные и ничем не оправданные потери». В итоге Сталин приказывал Ватутину: «сосредоточить все внимание на реальной и конкретной задаче – ликвидации ахтырской группировки противника, ибо без ликвидации этой группы противника серьезные успехи Воронежского фронта стали не осуществимыми».
Действительно, приходится констатировать, что расчет Ватутина на воздействие наступления 47-й армии на планы противника не оправдался. Несмотря на прорыв фронта к северу от Ахтырки, немецкое командование сохранило присутствие духа и довело дело до конца. Только после того, как фланги двух армий сомкнулись, дивизии XXIV танкового корпуса были задействованы для отражения наступления 47-й армии. Действительно целостность фронта 4-й танковой армии была вновь восстановлена к концу августа 1943 г. ценой сдачи Ахтырки, Котельвы и отхода на рубеж реки Ворскла.
В то время, когда Воронежский фронт сражался с оперативными резервами противника под Богодуховом и Ахтыркой, Степной фронт продолжал борьбу за Харьков. В результате боев 12 и 13 августа войска Степного фронта, прорвав внешний оборонительный обвод, на ряде участков подошли вплотную к городскому обводу и завязали бои на окраинах Харькова. До 17 августа войска Конева вели упорные бои на достигнутых рубежах.
18 августа возобновила наступление 57-я армия, обходя город с юга. Основная группировка армии в составе пяти дивизий, усиленных танками, должна была развивать наступление в общем направлении на Мерефу. 18–22 августа на обоих флангах Степного фронта развернулись особенно напряженные бои. С утра 18 августа 53-я и 57-я армии возобновили наступление с целью охвата Харькова с запада и юго-востока. Перейдя в наступление, 53-я армия 18 и 19 августа вела затяжные бои по очищению от противника лесного массива западнее Харькова. Обойдя этот массив основными силами армии с запада, советские части овладели им, после чего получили возможность продвигаться вперед быстрее.