Штурм Понырей соединениями XXXXI корпуса начался с рассветом 7 июля. Пять раз немцы переходили в атаку, пытаясь прорвать оборону 307-й дивизии, но каждый раз с большими потерями откатывались назад. В 10 часов группе пехоты немцев с танками удалось прорваться на северо-западную окраину Понырей, но они были контратакованы резервом 307-й дивизии (два батальона пехоты и 103-я танковая бригада) и отброшены в исходное положение. Не добившись успеха, немцы перенесли направление удара. Через час последовала атака на Поныри с северо-востока. В ожесточенном бою к 15.00 наступающим удалось овладеть населенным пунктом 1-е Мая и вплотную подойти к северной окраине Понырей.
Учитывая упорные атаки немцев в одном и том же месте, командир 307-й стрелковой дивизии стянул в район Понырей всю противотанковую артиллерию. К отражению атак танков изготовились орудия крупных калибров, истребители танков, отряды заграждения и т. п. Небольшая железнодорожная станция была превращена в настоящую противотанковую крепость с круговой обороной.
203-мм гаубица Б-4 обр. 1931 г. ведет огонь по немецким позициям в районе Понырей. Многочисленная артиллерия стала одним из главных факторов успеха в обороне северного фаса Курской дуги
Последний решительный штурм станции Поныри состоялся вечером 7 июля. На этот раз противник, бросив в бой одну танковую (18-ю) и две пехотные дивизии (86-ю и 292-ю), нанес одновременно удар с трех направлений: с севера, востока и запада. Части 307-й стрелковой дивизии после непрерывного дневного боя не выдержали удара превосходящих сил противника и отошли в южную часть Понырей. Бой за станцию при свете горящих домов продолжался всю ночь. Командующий 13-й армией приказал вернуть утраченные позиции. Поддерживать пехотинцев 307-й стрелковой дивизии должны были 51-я и 103-я танковые бригады 3-го танкового корпуса. Атака должна была начаться с рассветом следующего дня. Также участвовать в контратаке должны были 129-я танковая бригада, имевшая на тот момент 10 КВ, 18 Т-34, 11 Т-70 и 11 Т-60, и 27-й гв. тяжелый танковый полк (6 КВ-1С). Чтобы подстраховаться на случай сильного удара противника, Н.П. Пухов подтянул в район Понырей 4-ю воздушно-десантную дивизию из состава 18-го стрелкового корпуса.
Во всяком позиционном сражении есть своя «избушка лесника». Для сражающихся за Поныри таковой стала станционная водокачка. Этот ориентир отметил острым писательским взглядом К. Симонов: «Хорошо зрительно помню тогдашний вид Понырей, за которые шел бой: разбитые станционные здания, торчавшую, как палец, уцелевшую водокачку». В результате контрнаступления утром 8 июля советские стрелковые и танковые части вернули себе контроль над Понырями и вышли на рубеж водокачки. Во второй половине дня немцы вновь заняли станцию, а вечером удачной контратакой 307-я стрелковая дивизия вернула утраченные позиции.
На следующий день бои за Поныри продолжились с прежней ожесточенностью. На этот раз немцы сменили тактику и взяли станцию «в клещи» ударом по обе стороны от железной дороги. Ударной силой новой немецкой атаки стала так называемая «группа Каль». В нее были сведены 654-й батальон «Фердинандов» и 216-й батальон «Брумбаров». Майор Бруно Каль был командиром последнего. В советских источниках в состав «группы Каль» включают 505-й батальон «Тигров», но, по немецким данным, он действовал на ольховатском направлении.
Внезапным сосредоточенным ударом крупных сил тяжелой бронетехники немцам удалось прорваться в район поселка Горелое, глубоко в тыл оборонявшим Поныри советским частям. Однако здесь они попали в «огневой мешок» нескольких истребительно-противотанковых артполков. Маневр немецких тяжелых танков сдерживался минным полем с многочисленными фугасами из авиабомб и тяжелых снарядов. Прорваться в глубину советской обороны на плечах группы Каль у немцев не получилось, но оборонявший Поныри полк 307-й стрелковой дивизии попал в окружение. Вечером 9 июля защитники станции были деблокированы ударом 4-й гвардейской воздушно-десантной дивизии.
Утром 10 июля произошла смена состава участников сражения за Поныри с немецкой стороны. 292-я пехотная дивизия была отведена назад, вместо нее в бой за многострадальную станцию вступила свежая 10-я танкогренадерская дивизия генерал-лейтенанта Шмидта. Вновь был нанесен удар в обход станции с востока, позиции ее защитников были глубоко охвачены с фланга. Однако благодаря вступившим в бой десантникам ситуация оставалась под контролем. Вечером 10 июля Н.П. Пухов отдал приказ на отвод 307-й дивизии во вторую линию. Ее позиции заняли части 3-й и 4-й гвардейских воздушно-десантных дивизий.