В боях, которые происходили по фронту до 200 км и в глубину 150 км, участвовало с обеих сторон до 2,5 тыс. танков. Это было крупнейшее танковое сражение Второй мировой войны. На 22 июня 1941 года в пяти советских мехкорпусах насчитывалось около 3 тыс. танков (среди них имелись новые танки Т-34 и КВ). Однако непосредственно в боевых действиях участвовало немногим более половины машин (из-за поломок по дороге во время маршей, нехватки горючего, запчастей и т. д.). С немецкой стороны в сражении участвовало около 700 танков.
23–24 июня части 15-го и 22-го мехкорпусов контратаковали из районов Брод и Луцка вторгшиеся на территорию СССР немецкие войска. Эти атаки не имели успеха. Советские мехкорпуса понесли большие потери не только от противотанковой обороны и авиации немцев, но и собственных просчетов. Например, 41-я танковая дивизия (полковник П. П. Павлов), выдвигаясь к северо-западу от Луцка, угодила из-за отсутствия подробных карт в болото, где застряла значительная часть танков.
25 июня части 1-й танковой группы с помощью флангового маневра заняли Луцк. В это время в район битвы выдвигались 9-й, 19-й и 8-й мехкорпуса, которые 26 июня нанесли фланговые контрудары по прорвавшимся на восток частям 1-й танковой группы. Ударами с севера из района Луцка (9-й и 19-й) и юга из района Брод (8-й и 15-й) советское командование пыталось отрезать и разгромить вырвавшиеся вперед немецкие соединения. В этом крупнейшем танковом сражении советским войскам удалось перерезать дорогу Луцк — Ровно, а также занять Дубно (к юго-востоку от Луцка).
Тем не менее Красная Армия, имевшая значительное танковое превосходство, не смогла нанести поражение группе Клейста. Мощного и одновременного удара не получилось. Войска вводились в бой разрозненно, без единого командования, после длительных 200–400-километровых маршей (одни части заканчивали атаку, другие начинали, третьи лишь подходили к месту боя). Рекорд побил 8-й мехкорпус, который из-за противоречивых приказов вышестоящих инстанций неоднократно менял места дислокации и вышел в район сражения, пройдя путь в 500 км (после такой интенсивной эксплуатации свыше 50 % машин вышли из строя по дороге, а оставшиеся испытывали нехватку в горючем). Недостаточное обеспечение радиосвязью препятствовало взаимодействию войск даже на уровне соседних частей. Почти не велась разведка. Танки не имели своевременной поддержки пехоты и тыловых служб обеспечения.
В результате беспорядочных передвижений и атак многие машины получили серьезные поломки, лишились боезапаса и горючего (для новых образцов Т-34 дизельное топливо часто вообще отсутствовало). Большую роль в срыве контрнаступления сыграло господство в воздухе немецкой авиации, уничтожавшей бомбовыми ударами идущие на прорыв танки.
27–29 июня немцы, имевшие в целом превосходство в уровне боевой подготовки и управления войсками, с помощью умелого маневра в сочетании с противотанковой обороной отбили разрозненные контрудары. Введя в бой дополнительные силы (9-я танковая дивизия), они нанесли советским войскам тяжелое поражение. 28 июня немецкие танки ворвались в Ровно, грозя охватом с севера сражавшимся на Западной Украине войскам Юго-Западного фронта (генерал М. П. Кирпонос). Спустя 2 дня они были вынуждены начать отход.
В районе Луцк — Брод — Дубно — Ровно Красная Армия лишилась более 2,5 тыс. танков. При этом в боевых действиях было потеряно примерно треть машин. Основная часть вышла из строя по дороге из-за отсутствия горючего, была брошена или уничтожена экипажами при отходе. Гибель советской танковой армады ярко продемонстрировала, что никакое техническое превосходство не спасет войска, если они не сумеют им должным образом воспользоваться. Урон немцев — свыше 200 танков, что составило почти две трети всех танковых потерь вермахта в приграничных сражениях.
Хотя советские танковые удары не увенчались успехом, они на неделю задержали группу армий «Юг». Это позволило основным силам Юго-Западного фронта отойти в укрепленный район на старой государственной границе и занять там оборону. Быстрый захват немцами Киева и промышленных районов Украины в намеченные сроки не состоялся.
Брошенные в бой на западных рубежах СССР огромные массы техники стали своеобразным «стальным щитом», позволившим советским войскам избежать жестокого разгрома и окружения. Сохранив основной состав, части Юго-Западного, а также Северо-Западного фронтов достаточно организованно отошли на новые рубежи: к Киеву и Западной Двине.