Командующий Брянским фронтом решил задержать наступление противника на рубеже р. Кшень и с этой целью дал указания о переброске к участку прорыва 16-го танкового корпуса. Одновременно он приказал сосредоточить 17-й танковый корпус Н.В.Фекленко в районе Касторное, а 4-й танковый корпус В.А.Мишулина и 24-й танковый корпус В.М.Баданова в районе Старого Оскола и силами этих двух корпусов подготовить контрудары в северо-западном и северном направлениях. На усиление 40-й армии из резерва фронта были переданы 115-я и 116-я танковые бригады.
Однако, как это всегда бывает в «блицкригах», одной из первых жертв стали пункты управления. В течение 29 июня левофланговые соединения 13-й армии, ведя упорные бои, сдерживали наступление противника на линии железной дороги Ливны, Мармыжи, а войска правого фланга 40-й армии — на реке Кшень. В районе Ракова 24-й танковой дивизии корпуса Гейма удалось прорвать вторую полосу обороны 40-й армии и развить наступление в направлении Горшечного. Появление небольшой группы танков в районе расположения командного пункта 40-й армии в районе Горшечного дезорганизовало управление войсками. Командующий армией генерал-лейтенант М.А.Парсегов и его штаб, бросив часть документов, в том числе и оперативного характера, переехали в район юго-восточнее Касторного и окончательно потеряли управление боевыми действиями войск. Видимо, у М.А.Парсегова просто не выдержали нервы: в сентябре 1942 г. он был одним из непосредственных участников боев под Киевом, закончившихся огромным «котлом». Так или иначе, вскоре генерал Парсегов был отстранен от командования 40-й армией и отправлен на Дальний Восток.
Тем временем за два дня наступления 4-й танковой армии Г.Гота удалось прорвать оборону войск Брянского фронта на стыке 13-й и 40-й армий на 40-километровом фронте и продвинуться на глубину до 35–40 км. Этот прорыв усложнил обстановку на левом крыле Брянского фронта, но еще не представлял собой особой угрозы, так как в районы Волова, Касторного и Старого Оскола выдвигались четыре танковых корпуса. Однако сосредоточение 4-го и 24-го корпусов проходило медленно, а у перевозившегося по железной дороге 17-го танкового корпуса отстали тылы и части остались без горючего.
Командующий же Брянским фронтом Ф.И.Голиков в условиях глубокого прорыва противника на воронежском направлении принял решение отвести войска 40-й армии на рубеж р. Кшень, Быстрец, Архангельское. Ставка ВГК в лице И.В.Сталина не согласилась с этим решением командующего Брянским фронтом. Голикову было указано, что «простой отвод войск 40-й армии на неподготовленный рубеж будет опасен и может превратиться в бегство». Кроме того, командующему фронтом было указано на промахи в его действиях: «самое плохое и непозволительное в Вашей работе состоит в отсутствии связи с армией Парсегова и танковыми корпусами Мишулина и Богданова. Пока Вы будете пренебрегать радиосвязью, у Вас не будет никакой связи и весь Ваш фронт будет представлять неорганизованный сброд».
Для организации первого крупного контрудара новых танковых соединений Ставка направила своего представителя — А.М.Василевского. В целях разгрома частей XXXXVIII танкового корпуса Гейма, прорвавшихся в направлении Горшечное, была создана специальная оперативная группа под руководством командующего бронетанковыми и механизированными войсками Красной Армии генерал-лейтенанта танковых войск Я.Н.Федоренко. В группу вошли 4, 24-й и 17-й танковые корпуса. Задачей группы было нанести контрудары 24-м и 4-м танковыми корпусами из района Старого Оскола на север, а 17-м танковым корпусом из района Касторное в южном направлении. Одновременно по решению командующего фронтом подготавливались контрудары 1-м танковым корпусом М.Е.Катукова из района Ливны на юг вдоль железной дороги Ливны, Мармыжи и 16-м танковым корпусом М.И.Павелкина из района Волово на юг вдоль восточного берега р. Кшень.
Как это обычно происходит при организации контрударов поспешно перебрасываемых в район прорыва соединений, корпуса вступали в бой неодновременно. Так, например, 4-й танковый корпус вступил в бой 30 июня, а 17-й и 24-й танковые корпуса только 2 июля. При этом вопреки традиционно цитируемому диалогу И.В.Сталина и Ф.И.Голикова по поводу соотношения сил на Брянском фронте 1000 танков Брянского фронта против 500 танков у немцев обстановка была несколько сложнее. Наличие в воздухе авиации Рихтгоффена не благоприятствовало объективной оценке сил прорвавшегося на подступы к Воронежу противника. В действительности против 4, 16, 17-го и 24-го танковых корпусов у немцев было три танковые (9, 11-я и 24-я) и три моторизованные («Великая Германия», 16-я и 3-я) дивизии. То есть против четырех (пусть пяти с корпусом М.Е.Катукова, который бился с пехотой LV корпуса) советских самостоятельных танковых соединений противник мог выставить почти в полтора раза большее число дивизий — шесть. Не будем забывать, что советский танковый корпус по своей организационной структуре тогда еще только примерно соответствовал танковой дивизии. При этом слабый в артиллерийском отношении 17-й корпус Н.В.Фекленко был вынужден атаковать элитную «Великую Германию», САУ StuGIII которой могли безнаказанно расстреливать его танки из своих длинных 75-мм пушек. Оценивая события под Воронежем в начале летней кампании 1942 г., нужно помнить, что именно здесь состоялся полномасштабный дебют новой бронетехники немцев.
Появление новой техники отмечалось командирами наших танковых соединений. В частности, командир 18-го танкового корпуса И.П.Корчагин в отчете по итогам июльских и августовских боев писал: «В боях под Воронежем противник наиболее эффективно применил подвижную противотанковую оборону, использовав для этой цели самоходные бронированные машины, вооруженные 75-мм орудиями, стреляющими болванкой с зажигательной смесью. Эта болванка пробивает броню всех марок наших машин. Подвижные орудия противник применяет не только в обороне, но и при наступлении, сопровождая ими пехоту и танки» (ЦАМО Ф.18тк, оп.1, д.22, л.13).
Точку в организации контрудара группы Я.Н.Федоренко поставило наступление 6-й армии Ф.Паулюса на правом крыле Юго-Западного фронта. Перейдя в наступление утром 30 июня из района Волчанска, 6-я армия прорвала оборону в стыке 21-й и 28-й армий. Развивая наступление на северо-восток, VIII армейский и XXXX моторизованный корпуса к вечеру 2 июля выдвинулись на рубеж Скородное, Чернянка, р. Оскол. К исходу 2 июля обстановка на воронежском направлении резко ухудшилась. Войска левого крыла 40-й армии в составе трех дивизий и двух бригад оказались в окружении.
В район Воронежа из резерва Ставки ВГК также был направлен 18-й танковый корпус И.П.Корчагина. Одновременно было решено использовать для контрудара 5-ю танковую армию А.И.Лизюкова, перегруппировав ее из района Ефремова в район южнее Ельца для нанесения контрудара по флангу и тылу группировки немецких войск, наступавших на Воронеж. На усиление 5-й танковой армии Ставка ВГК дополнительно направила с Калининского фронта 7-й танковый корпус П.А.Ротмистрова.
С утра 3 июля противник продолжал развивать наступление. Армейская группа «Вейхс» главный удар наносила из района Касторное, Горшечное на Воронеж, выдвигая часть своих сил на рубеж Ливны, Тербуны. 6-я немецкая армия XXXX моторизованным корпусом развивала наступление из района Нового Оскола и Волоконовки в северо-восточном направлении.
