Эти силы противника по своему внутреннему состоянию и по количеству не позволяли рассчитывать на длительный успех наступления. Роль ударного кулака в плане командования противника возлагалась на конный корпус сибирских казаков в количестве до 7 тысяч сабель, поднятый по всеобщей мобилизации. Этот корпус должен был действовать во фланг V армии, в то время как Петропавловская группа противника (III армия) должна была атаковать ее с фронта.
Однако, сборы конного корпуса происходили очень медленно, а тем временем V Красная армия с боем переправилась через Тобол и 20 августа развивала уже наступление на Петропавловск. В то же время Ш Красная армия, переправившаяся также через Тобол, шла на Ишим. Встречное наступление противника началось только 1 сентября уже под самым Петропавловском, при чем противнику, давя все время на правый фланг V армии, удалось 3 сентября принудить V армию к частичному отступлению. В дальнейшем операция развивалась под знаком борьбы за почин в действиях на правом фланге V армии, куда стягивалась дивизия фронтового резерва, заслоны V армии и ее частные резервы. Все эти силы вступали в бой по частям, почему Сибирский конный корпус, также с запозданием вступивший в дело, имел над ними несколько частных успехов, но не смог прорваться на тылы V Красной армии. Введение в дело обеими сторонами сил по частям предопределило длительный и малорешительный характер боев в течение всего сентября на подступах к Петропавловску. В конечном их итоге V армия утеряла значительную часть выигранного ею первоначально пространства, и ее командование, не желая иметь непосредственно в своем тылу сильную водную преграду в виде р. Тобола, 1 октября отвело, ее обратно за р. Тобол.
Временный успех противника обошелся ему дорого. Наступательная его энергия окончательно выдохлась на р. Тобол, преодолеть которую он уже не смог. А тем временем силы V армии, благодаря местным мобилизациям, возросли, до 37 тысяч штыков и сабель при 135 орудиях, в то время как силы противника не превышали 31 тысячи штыков и сабель при 145 орудиях.
Поэтому 14 октября V армия вновь перешла в наступление и успешно переправилась через р. Тобол. Двигая на уступе вперед свой правый фланг, V армия грозила тыловым сообщениям противника и принудила его спешно отходить, за р. Ишим. Эта водная преграда также была преодолена 1 ноября после незначительного сопротивления противника.
Конец тобольской операции знаменовал собою конец, организованного сопротивления противника. Его войска потеряли уже всякую боеспособность и в дальнейшем армиям Восточного фронта предстояло преодолевать не сопротивление противника, а пространство. Пока V армия успешно преследовала противника вдоль главной железнодорожной магистрали по направлению к Омску, III Красная армия, овладев г. Ишимом, также спускалась к Омску вдоль северной сибирской железнодорожной магистрали, противник быстро уходил за Иртыш, сдав без боя г. Омск с огромными запасами имущества разного рода и оставив свыше 10 тысяч человек, не пожелавших далее разделять судьбу контрреволюционного движения.
Остатки сибирских контрреволюционных армий имели в своем распоряжении теперь в качестве единственной оси движения только главную сибирскую магистраль; они еще ранее лишились своей базы в южной Сибири, так как большая часть Южной армии Белова, будучи приперта тылом к степям, еще в начале сентября капитулировала, а небольшие ее остатки рассеялись, либо присоединились к отрядам атамана Дутова, отошедшим в район Кокчетав — Акмолинск. Хотя эта группа и числила до 30 тысяч конного и пешего народа, но была настолько мало боеспособна, что командование Восточным фронтом, выделив для преследования ее особую кокчетавскую группу (одна дивизия пехоты, одна дивизия конницы и две отдельных стрелковых бригады), отвело Щ армию в тыл на работы и дальнейшее преследование главных сил Колчака возложило на одну V армию.