Только 26 июля немецкое командование приняло решение оставить орловский плацдарм и начать отход на оборонительную линию «Хаген» (восточнее Брянска). Вечером этого дня Ставка передала Рокоссовскому 3-ю гвардейскую танковую армию Павла Рыбалко, в надежде, что удастся развить прорыв и окружить врага. Однако танкисты, понеся большие потери, лишь медленно выталкивали противника с орловского выступа.
5 августа Орел был освобожден. 6 августа 2-я и 3-я гвардейская танковые армии перешли к преследованию, но успеха не достигли. Наоборот, 10 августа в бою у высоты 264,6 3-я гвардейская танковая армия потеряла 110 танков, в том числе 100 — безвозвратно, и была отведена в тыл на пополнение.
Начало наступления Воронежского и Степного фронтов было отложено до 3 августа, так как тыловые службы не были готовы, а войска понесли тяжелые потери в людях и боевой технике во время отражения «Цитадели».
В ходе контрнаступления на белгородско-харьковском направлении советские войска имели подавляющее превосходство над противником. Перейдя 3 августа в наступление на южном фасе Курской дуги, они должны были овладеть Харьковом — промышленной столицей Украины. Основные силы войск Воронежского и Степного фронтов из районов севернее и северо-западнее Белгорода наносили удар в стык 4-й немецкой танковой армии и оперативной группе «Кемпф», а затем должны были охватить и разгромить группу «Кемпф» в районе Харькова, который Гитлер приказал оборонять во что бы то ни стало.
Плотность артиллерии на направлении главных ударов Воронежского и Степного фронтов достигала 230 стволов на километр фронта. Как полагал Конев, советские войска превосходили неприятеля по артиллерии в соотношении 6,5:1. По оценке Манштейна, советские войска по численности личного состава превосходили его группу армий в соотношении 7:1. Манштейн не ошибся. Если немецкие войска, оборонявшие харьковский плацдарм (опергруппа «Кемпф» и 4-я танковая армия), насчитывали 200 тыс. человек, то войска Воронежского и Степного фронтов к началу Белгородско-Харьковской операции имели 1 144 тыс. солдат и офицеров, а в ходе наступления они были усилены еще тремя общевойсковыми армиями. Танков у них было вчетверо больше, чем у немцев. 7 августа танкисты 1-й танковой армии Катукова стремительным ударом захватили важный железнодорожный узел Богодухов, где в их руки попали большие запасы горючего. С потерей Богодухова белгородско-харьковская группировка немцев оказалась рассеченной надвое. Пути от Харькова на северо-запад были перерезаны. Под угрозой оказалась также основная коммуникация из Харькова на Полтаву.
На рассвете 8 августа танковая дивизия СС «Рейх» из района Олыпан нанесла удар на Богодухов, вынудив перейти к обороне на рубеже Крысино, Максимовка, Вел. Рогозянка 3-й механизированный и 31-й танковый корпуса.
11 августа войска Воронежского фронта перерезали железную дорогу Харьков — Полтава. Но к исходу дня противник прорвался в тыл 1-й танковой армии, вышедшей к железной дороге в районе Высокополье. Советские танкисты оказались в окружении.
Однако благодаря контратаке резервов Воронежского фронта к исходу дня 12 августа эсэсовцы вынуждены были отойти.
18 августа в районе Ахтырки контрудар нанесли 7, 11 и 19-я танковые дивизии, дивизия «Великая Германия» и два батальона «тигров», пытавшиеся прорваться на Богодухов. Для его отражения севернее и северо-восточнее Ахтырки были введены 4-я гвардейская и 47-я армии из резерва Ставки. В ходе контрударов немцам удалось уничтожить или подбить около 300 танков и взять 1800 пленных.
12 августа советские войска прорвались восточнее и юго-восточнее Харькова. Немцам контрударами под Богодуховым и Ахтыркой не удалось предотвратить падение Харькова. Им лишь удалось замедлить продвижение советских войск и дать возможность гарнизону Харькова отойти. Манштейн отвел армейскую группу «Кемпф» из города, которому грозило окружение. 23 августа Харьков был взят войсками Степного фронта при содействии войск Воронежского и Юго-Западного фронтов, избежав окружения, отступить на запад. Советские войска ликвидировали Харьковский плацдарм неприятеля, но им не удалось окружить здесь основные силы группы армий «Юг». Как и в случае с орловским плацдармом, получилось не окружение, а выталкивание противника.
По официальным данным, советские войска в ходе Белгородско-Харьковской операции потеряли около 256 тыс. человек, в том числе около 72 тыс. человек безвозвратно.
Поскольку официальные данные о безвозвратных потерях занижены в 2–3 раза, общие потери, вероятно, составили от 328 тыс. до 400 тыс., в том числе от 144 тыс. до 216 тыс. — безвозвратно. Следует подчеркнуть, что в августе 1943 года Красная Армия понесла наибольшие за всю войну потери убитыми и ранеными.