Против 123 тысяч солдат и офицеров, 1800 орудий и минометов, более 600 танков противника Кузнецов планировал выставить около 56 тысяч человек, 980 орудий и минометов, 950 танков (в основном легких). Несмотря на полуторное превосходство в танках, силы советской группировки были явно недостаточными, особенно в условиях безраздельного господства вражеской авиации.
Из 12-го механизированного корпуса генерала Н. М. Шестопалова только 28-я танковая дивизия полковника И. Д. Черняховского к 10 часам 23 июня сумела занять исходное положение. Остальные соединения, будучи связаны боями, — только к вечеру. Дивизии 3-го механизированного корпуса генерала A. B. Куркина противник опередил в выходе в исходный район. Командованию фронта пришлось назначать новый район, куда соединения выдвинулись лишь в середине дня и с ходу перешли в наступление. Спустя 3 часа нанесла удар 28-я танковая дивизия 12-го мехкорпуса. Иначе говоря, одновременного удара не получилось: после длительного марша соединения вступали в бой с ходу, чаще всего разрозненными группами. Артиллерия при остром недостатке боеприпасов надежной поддержки танкам не оказала. Задача осталась невыполненной. Дивизии, потеряв значительную часть танков, в ночь на 24 июня вышли из боя. Больше всех пострадала 48-я стрелковая дивизия: она лишилась штаба и 70 % личного состава. Командир ее генерал П. В. Богданов попал в плен. Согласившись сотрудничать с немцами, он был назначен начальником контрразведки 1-й русской национальной бригады. После перехода бригады на сторону партизан Богданов был арестован и передан советским властям, казнен как предатель в 1950 году. По другим данным, на немецкую сторону перешел М. В. Богданов — начальник артиллерии 8-го стрелкового корпуса РККА, имевший звание комбрига и попавший в плен 10 августа 1941 года, а генерал-майор П. В. Богданов пропал без вести.
На рассвете 24 июня бои разгорелись с новой силой. С обеих сторон в них участвовало свыше 1 тысячи танков, около 2700 орудий и минометов, более 175 тысяч солдат и офицеров. Командование 4-й танковой группы в 18 часов сообщило в штаб группы армий «Север», что атаки тяжелых танков и пехоты противника вынудили правый фланг 41-го моторизованного корпуса перейти к обороне.
Части полковника Черняховского, вклинившиеся в боевые порядки врага на 5 км, уничтожили 14 танков, 20 орудий и до батальона пехоты. Заместитель командира 55-го танкового полка майор Б. П. Попов огнем только одного своего танка уничтожил 4 противотанковые пушки и несколько десятков немецких солдат. Даже когда его машина загорелась, отважный танкист не покинул поле боя. Указом Президиума Верховного Совета Союза СССР от 25 июля 1941 года Попову посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза — одному из первых на Северо-Западном фронте.
Воины 9-й артиллерийской противотанковой бригады под командованием полковника П. И. Полянского 24 июня подбили 30 танков. Однако боеприпасы кончились, и бригаде вместе с 202-й моторизованной дивизией пришлось отойти.
Попытка возобновить контрудар на следующий день свелась к поспешным, плохо согласованным действиям, к тому же на широком фронте, при низкой организации управления. Вместо того чтобы наносить сосредоточенные удары, командиры корпусов получили приказ действовать «небольшими колоннами с целью рассредоточить авиацию противника». Танковые соединения понесли огромные потери: в обеих дивизиях 12-го мехкорпуса осталось всего 35 танков.
Если в результате контрудара удалось на какое-то время задержать продвижение 41-го моторизованного корпуса генерала Рейнгардта на шяуляйском направлении, то 56-й корпус Манштейна, обойдя контратаковавшие соединения с юга, получил возможность осуществить стремительный бросок на Даугавпилс.
За три дня боев Северо-Западный фронт потерял 921 самолет, то есть почти всю свою авиацию, огромны были потери в артиллерии, но особенно в танках. Войска беспорядочно отходили. Вместе с ними устремились на восток почти 60 тысяч строительных рабочих, которые еще совсем недавно возводили укрепленные районы у границы. Дороги были забиты толпами беженцев из приграничной полосы. Немецкие авиадесанты и диверсионные группы сеяли панику в тылу, выводили из строя проводные средства связи. Все это еще больше усугубляло неразбериху.
Трагическим было положение 11-й армии: она оказалась зажатой в клещи между 3-й и 4-й танковыми группами. Основным силам 8-й армии повезло больше: они остались в стороне от бронированного кулака врага и относительно организованно отходили на север. Никакого взаимодействия между армиями не существовало. Почти полностью прекратился подвоз боеприпасов и горючего. Обстановка требовала решительных мер по ликвидации прорыва противника. Однако, не имея резервов и потеряв управление, командование фронта предотвратить отступление и восстановить положение не могло.