Все четыре армии фронта располагались в первом эшелоне. В резерве фронта находились 1-й и 16-й танковые корпуса, 8-й кавалерийский корпус, 1-я гвардейская и 284-я стрелковые дивизии, 115-я и 116-я танковые бригады. Группировка войск Брянского фронта не отвечала сложившейся обстановке. Командование фронтом ошибочно считало более важным орловское направление, где и сосредоточило основные силы. Угроза наступления противника на воронежском направлении недооценивалась. Оборонявшаяся на этом направлении 40-я армия занимала фронт протяжённостью 110 км. Стрелковые дивизии первого эшелона армии располагались почти равномерно. Одна стрелковая дивизия и две стрелковые бригады второго эшелона находились в 40–60 км от переднего края. Части 40-й армии не подготовили оборонительных рубежей ни в тактической, ни в оперативной глубине, а артиллерийско-противотанковые резервы и противотанковые районы не создавались вовсе.
Между тем 26–28 июня заканчивалось сосредоточение немецких войск в полосе Брянского фронта. Против советских 13-й и 40-й армий (13,5 стрелковой дивизии на фронте в 180 км) развернулись для наступления 14,5 пехотной, четыре танковые и три моторизованные дивизии. На направлении главного удара превосходство было ещё более значительным. Так, в районе 45-км участка обороны советских войск на стыке 13-й и 40-й армий немцы сосредоточили в первом эшелоне три танковых, одну моторизованную, две пехотные и одну легкопехотную дивизии. Этой группировке противостояли лишь три советские стрелковые дивизии.
В 10 часов утра 28 июня 1942 года вермахт начал генеральное наступление на Восточном фронте. К исходу дня оборона советских войск на стыке 13-й и 40-й армий была прорвана. К 30 июня немецкие войска расширили прорыв до 40 км по фронту и продвинулись на 35–40 км в глубину обороны наших войск.
4 июля соединения 4-й танковой армии генерала Гота вышли на подступы к Воронежу. В течение двух последующих дней немецкие войска захватили плацдарм на левом берегу Дона и в тот же день овладели большей частью города. 10 дней шли ожесточённые бои на улицах западной части Воронежа. Однако дальнейшее продвижение противника было остановлено организованным сопротивлением советских войск.
5 июля в бой была введена 5-я танковая армия Героя Советского Союза генерал-майора А. И. Лизюкова. В армию входили 2-й и 11-й танковые корпуса, 340-я стрелковая дивизия, 19-я отдельная танковая бригада, гвардейский миномётный полк, лёгкий артполк РГК, отдельный батальон связи, отдельный зенитный дивизион и рота охраны штаба армии. 5 июля в состав армии был включён 7-й танковый корпус. В ночь на 5 июля армия получила приказ нанести контрудар по флангу армейской группы «Вейхс». При этом Ставка ВГК требовала начать операцию не позднее 15–16 часов 5 июля, не дожидаясь сосредоточения всех сил армии.
Утром 6 июля первым перешёл в наступление 7-й танковый корпус полковника П. А. Ротмистрова, половина бригад которого находилась во втором эшелоне и в резерве. В ходе атаки части корпуса встретились с танками наступавшей 11-й танковой дивизии вермахта, с которыми вели бой в течение всего дня. На другой день боевые действия развернулись с новой силой. В сражение был введён с ходу 11-й танковый корпус генерал-майора А. Ф. Попова. В ожесточённых боях, продолжавшихся четверо суток, соединения 7-го и 11-го танковых корпусов смогли потеснить противника на 4–5 км и к исходу 10 июля выйти к реке Сухая Верейка. В этот день в наступление перешёл 2-й танковый корпус генерал-майора И. Г. Лазарева, находившийся до этого во втором эшелоне.