В результате упорных боев за вторую оборонительную полосу 15 июля вся тактическая зона обороны была прорвана на глубину 15—30 км. 16 июля для действий в оперативной глубине была введена конно-механизированная группа генерала В. К. Баранова, а с утра 17 июля и 1-я гвардейская танковая армия генерала М. Е. Катукова. Войска 3-й гвардейской и 13-й армий, используя успех танковых соединений, 18 июля продвинулись на 20—30 км и охватили бродскую группировку с севера, северо-запада и запада.
Прорыв на львовском направлении проходил в более сложной и напряженной обстановке. Фашисты удерживали позиции главными силами. В связи с этим после мощной артиллерийской подготовки, продолжавшейся полтора часа, и массированных ударов авиации
14 июля перешли в наступление главные силы 60-й и 38-й армий. К исходу дня их войска смогли продвинуться лишь на 3—8 км. Гитлеровцы принимали все меры к тому, чтобы не допустить прорыва наших войск. Они ввели в бой к концу первого дня операции и с утра 15 июля тактические резервы, а на участке Колтов, Боров — и оперативные резервы — 1-ю и 8-ю танковые дивизии и 14-ю пехотную дивизию СС «Галичина».
Ожесточенные бои развернулись на всем фронте 60-й и 38-й армий. Особенно напряженная обстановка сложилась в полосе наступления 38-й армии. Чтобы выправить положение, 2-й воздушной армии было приказано массированными ударами бомбардировочной и штурмовой авиации разгромить танковую группировку гитлеровцев на участке 38-й армии. Во второй половине дня 15 июля бомбардировщики и штурмовики 2-й воздушной армии совершили более 1800 самолетовылетов. Ударами авиации и артиллерии 38-й армии вражеская танковая группировка была дезорганизована, понесла значительные потери, и наступательные возможности ее к исходу дня резко снизились. Контрудар был отбит. Настало время вводить танковые армии.
3-я гвардейская танковая армия генерала П. С. Рыбалко утром 16 июля вошла в узкий коридор шириной около 6 км (между Колтовом и Тростянцом Малым). Для быстрого разгрома окруженной бродской группировки и прочного обеспечения флангов были выдвинуты в колтовский коридор, кроме действовавших здесь соединений 60-й армии, 4-й гвардейский и 31-й танковые корпуса, а также многочисленные артиллерийские части. 17 июля вслед за 3-й гвардейской танковой армией была введена в прорыв 4-я танковая армия для действий в направлении южнее Львова. К исходу 22 июля бродская группировка прекратила существование. Советские войска уничтожили более 38 тысяч гитлеровцев, захватили большие трофеи, взяли в плен 17 тысяч солдат и офицеров противника.
Одновременно с уничтожением бродской группировки войска фронта продолжали наступление и особенно успешно — на правом крыле. Это открывало большие возможности для более энергичных действий войск центра и левого крыла на направлениях Львов, Галич и Станислав, где операции развивались довольно медленно.
Львов был одним из важных стратегических объектов и крупным центром коммуникаций противника, во многом определявшим устойчивость его обороны. По этой причине и сам город, и прилегающая к нему местность были сильно укреплены. Командование фронта приняло решение — обходным маневром танковых армий с севера и с юга захватить город с ходу до подхода к нему вражеских войск со Станиславского направления. Начало действий планировалось на утро 20 июля.
Но в этот день овладеть Львовом танковым армиям не удалось. Противник в течение 20 и 21 июля увеличил действовавшую в районе Львова группировку до четырех дивизий. Таким образом, обстановка, сложившаяся в районе Львова к исходу 21 июля, уже исключала возможность овладеть городом с ходу силами только танковых армий.
Хотя Львов мы с ходу и не взяли, но с выходом танковых армий на подступы к нему положение на левом крыле фронта значительно улучшилось. Немецкое командование, опасаясь флангового удара со стороны Перемышля на юг, 20 июля начало отводить со Станиславского направления на запад части 24-го танкового и 59-го армейского корпусов. Войска 38-й армии и правого фланга 1-й гвардейской армии, сбивая арьергарды, преследовали врага.
С 24 июля развернулось наступление на Львов. В течение 24, 25 и 26 июля шли ожесточенные бои на подступах к городу. Утром 27 июля г. Львов— областной центр Украины, важный узел дорог и крупный культурный центр — был освобожден.