Фон Клейст нацелил 48-й мотокорпус на Шепетовку и потребовал немедленного преследования противника. Впереди следовала 11-я танковая дивизия, которая к середине дня 4 июля с ходу ворвалась в город. Командование фронта серьезные надежды возлагало на 7-й стрелковый корпус, выдвигавшийся для обороны Шепетовского укрепрайона. Однако 147-я и 206-я дивизии этого корпуса не смогли удержать оборону.
Чтобы не допустить противника к Житомиру, генерал Кирпонос 3 июля решил нанести контрудар, для чего создать группировку за счет высвобождения войск с менее активных участков фронта. В район Бердичев, Острополь, Хмельник направлялись 4-й и 15-й механизированные корпуса, вернее, их остатки, одна кавалерийская и три стрелковые дивизии. Сюда же выдвигается 16-й мехкорпус под командованием комдива А.Д. Соколова. Корпусу, имевшему 476 танков, до сих пор никак не удавалось принять участие в боях. На четвертый день войны, под влиянием панических докладов генерала Тюленева, его передали Южному фронту. Затем Ставка приказала срочно перебросить корпус по железной дороге на Западный фронт, где уже разразилась катастрофа. И вот на Украине нашлись более срочные дела.
Однако темп наступления германских танковых и моточастей оказался выше маневра советских резервов.
С утра 5 июля 1-я танковая группа возобновила наступление с рубежа западнее Новоград-Волынского, Шепетовка. 11-я танковая дивизия с ходу преодолела не занятый войсками рубеж укрепленных районов на восточном берегу реки Случь и 8 июля заняла Бердичев. 13-я танковая к исходу 9 июля, преодолев северный фас Новоград-Волынского УРа, ворвалась в Житомир.
С целью срыва наступления вражеских танков в район Бердичева была переброшена из Острополя 3-я противотанковая бригада, оборудовавшая противотанковый рубеж южнее города. Одновременно Военный совет решил не только остановить, но и разгромить прорвавшуюся к Бердичеву группировку врага силами сводных отрядов 22-го и 15-го мехкорпусов. Однако 22-й корпус организовать наступление не смог, в нем оставалось лишь 20 легких танков и 14 орудий разных калибров. Поэтому 7 и 8 июля контрудары с юга в направлении Бердичева наносили лишь сильно ослабленные части 15-го корпуса, которым командовал теперь генерал Огурцов, в то время как другие соединения 6-й армии пытались наступать в районах Староконстантинов и Вербовка. Успеха эти удары не имели.
Части армии Потапова к 6 июля отошли на позиции Новоград-Волынского УРа. В пределах города перешли к обороне ослабленные в предыдущих боях 228-я стрелковая и 109-я механизированная дивизии под общим командованием полковника Бланка. Вместе в их составе насчитывалось 2500 бойцов. Кроме того, здесь находились остатки 19-го мехкорпуса Фекленко в количестве 1500 человек и 40 танков. После двухдневного штурма немцы прорвали оборону 5-й армии и захватили Новоград-Волынский.
5-я армия отходила к Коростеньскому укрепрайону, заняв его основными силами к 9 июля. Укрепленный район находился в плачевном состоянии: все вооружение было демонтировано, инженерные сооружения законсервированы, и даже с началом войны восстановлением их никто не занимался. И все же здесь можно было организовать серьезную оборону, используя имеющиеся доты, окопы, стрелковые и пулеметные ячейки. Правда, по воспоминаниям генерала армии Федюнинского: «Солдаты, привыкшие действовать в полевых условиях, на первых порах дотам не особенно доверяли… Во время налетов вражеской авиации некоторые вместо того, чтобы укрываться в дотах, выбегали в траншеи.
— Завалит еще в этих коробках! — говорили бойцы».
На южном крыле войска 6-й, 12-й и 26-й армий под угрозой глубокого охвата с боями отступали к старой границе.
9 июля части 13-й танковой дивизии группы Клейста, используя 60-километровый разрыв между армиями Потапова и Музыченко, устремились к Киеву вдоль Житомирского шоссе и, преодолев за два дня 110 км, 11 июля вышли к внешней границе Киевского укрепленного района. На рубеже реки Ирпень они были остановлены советскими войсками, занявшими заблаговременно построенные оборонительные сооружения. Здесь были развернуты части 147-й стрелковой дивизии и гарнизон УРа. На ближних подступах к Киеву сосредоточился 2-й воздушно-десантный корпус.
Таким образом, 9 июля войска Юго-Западного фронта вели ожесточенные бои на рубеже Симоновичи — Белокоровичи — западнее Киева — Бердичев — Острополь — Проскуров — севернее Каменец-Подольского. Ставка приказала генералу Кирпоносу упорно оборонять этот рубеж и нанести мощные контрудары из районов Коростень и Бердичев по сходящимся направлениям на Житомир с целью разгрома вклинившейся вражеской группировки. Для этого фронт был усилен резервами. Так, 19-й мехкорпус Фекленко получил танковый батальон из 52 новеньких «тридцатьчетверок», вошедший в состав 40-й танковой дивизии. Соответственно командование фронта приказало генералу Потапову, прикрывшись с востока Коростеньским укрепленным районом, силами 31-го стрелкового, 9-го и 22-го механизированных корпусов нанести удар в направлении Новоград-Волынского укрепрайона. Генералу Музыченко — удерживая южную часть Новоград-Волынского УРа, наступать силами 49-го стрелкового корпуса из района Любар в северном направлении.
В тот же день войска 5-й армии перешли в наступление. В результате германские части, находившиеся севернее Житомирского шоссе, были отброшены с занимаемых позиций и понесли большие потери. Войска 9-го и 22-го мехкорпусов на следующий день подошли вплотную к Новоград-Волынскому и перерезали шоссе, идущее на Житомир, Киев, создав угрозу выхода в тыл вражеских войск, прорвавшихся к реке Ирпень. Немцы, перегруппировавшись и подтянув силы, остановили продвижение советских частей, а затем и потеснили их назад.
Но, несмотря на это, бои вдоль Житомирского шоссе продолжались до 17 июля, не позволяя германскому командованию использовать этот важный маршрут для переброски войск и снабжения вырвавшегося вперед 3-го мотокорпуса. Угрожающее положение, созданное соединениями армии Потапова по отношению к левому флангу и тылу танковой группы Клейста, вынудило фельдмаршала Рундштедта вводить в районе Новоград-Волынского новые части 6-й армии. Таким образом, войска советской 5-й армии активными действиями не позволяли немцам сосредоточить усилия для захвата Киева с запада и обхода его с северо-запада (как намеревалось поступить командование группы армий «Юг» в случае неудачи овладения городом с фронта).
Сильные контрудары в эти дни наносили и войска 6-й армии Музыченко, усиленные свежими частями, в частности, 16-м механизированным корпусом, имевшим 478 танков. Немецкое командование, убедившись в бесплодности атак на киевском направлении, с 10 июля стало поворачивать основные силы группы армий «Юг» на юго-восток. Оно рассчитывало ударом в этом направлении отрезать войска 6-й, 12-й и 26-й армий от Днепра и разгромить их. Поэтому в период с 10 по 15 июля разгорелись напряженные бои в районе Бердичева и Фастова.
10 июля советские 15-й и 16-й механизированные корпуса нанесли удары южнее Бердичева по войскам 11-й танковой дивизии. Советские части вышли в район Холодки северо-западнее города. Клейст, в свою очередь, выдвинул сюда 60-ю моторизованную и дополнительные части. Бои за Бердичев продолжались до 12 июля. Особенно отличился сводный отряд 10-й танковой дивизии, в которой оставалось еще несколько КВ. Советские танки дважды врывались на окраины города.
