Танковым частям Воронежского фронта пришлось взламывать следующую линию вражеской обороны совместно со стрелковыми соединениями. Результатом стал прорыв 1 танковой армии на 12 километров в глубину, а 5 гвардейской танковой армии на 20—25 километров, но эти показатели оказались меньше ранее запланированных, а также была израсходована большая часть боеприпасов и топлива в передовых танковых соединениях.
Степной фронт, представленный 53 армией генерала Манагарова, 48 стрелковым корпусом 69 армии, 3 августа смог продвинуться на 7—8 километров после мощной артподготовки, ударов штурмовой и бомбардировочной авиации, кровопролитных схваток с врагом за линию укреплений на протяжении нескольких часов, а также ввода в сражение в 15.00 1 механизированного корпуса.
4 августа советские армии штурмовали вторую оборонительную линию. 6 корпус 1 танковой армии совместно с 5 танковым корпусом не смогли с ходу окружить немецкую 11 танковую дивизию в Томаровке из-за упорного сопротивления. К вечеру основные силы 6 танкового корпуса смогли обогнуть с востока Томаровку, выставив против нее мотострелковую бригаду. 5 гв. танковый корпус из состава 1 танковой армии тоже участвовал в тяжелых боевых столкновениях за овладение Томаровкой, но после серьезных потерь получил приказ осуществить ее обход с востока. К тому же было потеряно драгоценное время. 3 механизированный корпус генерала Кривошеина к полудню смог продвинуться на 20 километров, а затем перешел к обороне из-за недостаточного прикрытия флангов. В течение 4 августа штурмовики и бомбардировщики 8 немецкого авиакорпуса, усилив налеты по наступающим советским войскам, которые понесли значительный урон, совершили свыше 1100 боевых вылетов.
В битве приняли участие основные соединения 6, 18 и 29 танковых корпусов, позднее на левом фланге ввели в бой следующий эшелон 5 гв. танковой армии, чтобы осуществить охват немецкой 6 танковой дивизии, которая успела занять подготовленные позиции у Бессоновки и Орловки, выйти к Золочеву. Эта задача не была выполнена потому, что в середине дня 4 августа вышел новый приказ командующего фронтом: отправить 5 гв. механизированный корпус 5 гв. танковой армии на помощь 53 армии для штурма Белгорода с юго-западного направления. Немецкое командование направило против 5 гв. танковой армии 503 батальон танков «Тигр». Эти обстоятельства привели к замедлению наступления 5 гв. танковой армии, которая за 4 августа смогла продвинуться на 10 километров.
Благодаря мощному удару 1 и 5 гв. танковых армий вторая полоса немецкой обороны была прорвана, а также удалось далеко вклиниться в позиции врага между Белгородом и Томаровкой. В течение 4 августа 1 танковая армия продвинулась