Чтобы помешать дальнейшему продвижению танковой группы Клейста, 5-я армия генерала М. И. Потапова нанесла по левому флангу группы контрудар с севера. Выделенные для этого соединения 27-го стрелкового, 9-го и 22-го механизированных корпусов были сильно ослаблены предыдущими боями. В дивизиях 27-го стрелкового корпуса насчитывалось всего около 1,5 тыс. человек, а в 9-м мехкорпусе имелось 32 танка и 55 орудий различных калибров. Самый сильный 22-й мехкорпус имел в привлекавшихся для контрудара 41-й танковой и 215-й моторизованных дивизиях 16 танков КВ, 137 Т-26 и 24 орудия. Части испытывали острую нужду в боеприпасах, для подвоза которых недоставало автотранспорта. К тому же контрудар готовился наспех и наносился на широком 110-км фронте. Однако у советских войск было и важное преимущество: их удар наносился в тыл 1-й танковой группе.
20-я танковая дивизия полковника М. Е. Катукова, отразив вечером 30 июня атаку частей 25-й моторизованной и 14-й танковой дивизий немцев в районе Оржева, с утра 1 июля перешла в наступление с рубежа и, отбросив части противника, к 15 ч. 1 июля продвинулась на 10–12 км. По донесению штаба дивизии, наши части уничтожили в этом бою до 1 тыс. солдат противника, 10 танков, 2 артбатареи, но и сами потеряли при этом до 200 человек убитыми и ранеными. К исходу дня 1 июля 20-я танковая дивизия по приказу командира 9-го мехкорпуса отошла в исходное положение. С утра 2 июля противник после артподготовки вновь пытался перейти в наступление в полосе 20-й танковой дивизии, но успеха не имел.
Наиболее сильный контрудар по флангу группы Клейста нанёс 22-й механизированный корпус, которым с 25 июня командовал генерал-майор танковых войск B. C. Тамручи, сменивший на этом посту погибшего генерал-майора С. М. Кондрусева. Удар 22-го мехкорпуса пришёлся в разрыв между подвижными соединениями 3-го немецкого моторизованного корпуса, уже вышедшими к реке Горынь, и 298-й пехотной дивизией, ещё топтавшейся у Луцка. 22-й мехкорпус, имея в первом эшелоне 19-ю и 41-ю танковые дивизии и во втором эшелоне за 41-й танковой 215-ю мотодивизию, в 15 ч. 1 июля перешёл в наступление с рубежа Пелча, Ромашевская в общем направлении на Дубно.
19-я танковая дивизия, наступавшая в направлении Покошув, Млынув, к утру 2 июля вышла на рубеж Калиновка, Маслянка, Каролина, где вступила в бой с пехотой противника. К 11 ч. 2 июля, отбрасывая противника, дивизия вышла к рубежу Млынув, Озлинов, где вела бой до второй половины 2 июля. В 14 ч. 2 июля 19-я танковая дивизия неожиданно подверглась сильному удару частей моторизованной бригады СС «Лейбштандарт СС „Адольф Гитлер“» в правый фланг и тыл и вынуждена была с большими потерями отходить в исходное положение, а опергруппа штаба дивизии во главе с командиром дивизии генерал-майором К. А. Семенченко попала в окружение, из которого сумела выйти только через семь суток.
41-я танковая дивизия, наступавшая в направлении Долгошеи, Дубно, при подходе во второй половине дня 1 июля к рубежу Терешув, Постников, Долгошеи встретила сопротивление мотопехоты 14-й танковой дивизии противника, закрепившегося в этих пунктах. Обойдя оба фланга противника, 41-я танковая дивизия вынудила его к отходу с большими потерями и к 10:30 2 июля овладела рубежом Городница, Мошков (15 км севернее Дубно). В этом бою было уничтожено до трёх батальонов немецкой пехоты, 10 противотанковых орудий и 2 артбатареи, но и 41-я танковая дивизия потеряла свыше 200 человек убитыми и ранеными.
215-я моторизованная дивизия, следуя во втором эшелоне за 41-й танковой дивизией, в 11 ч. 2 июля вышла на рубеж реки Путиловка (северней Долгошей), где и закрепилась, обеспечивая левый фланг и тыл 22-го мехкорпуса. Дивизия в течение дня подвергалась сильному обстрелу со стороны противника и понесла значительные потери.
С 11:30 2 июля соединения 22-го мехкорпуса, выполняя приказ командарма, начали отход в район Подлужное, Берестовец, Костополь (30 км севернее Ровно).