По приказу командования фронтом удар с севера, со стороны Луцка на Дубно, по левому флангу немецкой танковой группы должны были нанести 9-й механизированный корпус генерала К. К. Рокоссовского и 19-й механизированный корпус генерала Н. В. Фекленко, с юга — из района Бродов на Радехов и Берестечко — 8-й и 15-й механизированные корпуса генералов Д. И. Рябышева и И. И. Карпезо. 22-й и 4-й механизированные корпуса 5-й и 6-й армий, а также 15-й механизированный корпус уже сражались в своих полосах обороны, а 8-й, 9-й и 19-й находились в 200–400 км от рубежей развертывания. Поэтому сначала, во второй половине дня 23 июня, в бой с фланговыми силами вражеской танковой группы вступили только два батальона 10-й танковой дивизии полковника С. Я. Огурцова (15-й механизированный корпус). В районе Радехова они уничтожили 20 фашистских танков, потеряв шесть своих, и 16 противотанковых орудий.
24 июня 10-я танковая дивизия продолжала контрудар самостоятельно, без поддержки артиллерии, авиации и мотострелковых сил. Остальные части 15-го механизированного корпуса, попав в непроходимую лесистоболотистую местность, не смогли выйти в район боев.
Во второй половине дня 24 июня к востоку от Владимира-Волынского начался контрудар 22-го механизированного корпуса генерала С. М. Кондрусева. Несмотря на то что на вооружении корпуса были танки устаревшей конструкции, он остановил продвижение противника на Луцк. Здесь же бесстрашно сражались бойцы 1-й артиллерийской противотанковой бригады генерала К. С. Москаленко. 19-я танковая дивизия в районе Торчича 25 июня 8 часов вела неравный бой с превосходящими силами врага. Ее командир генерал К. А. Семенченко был тяжело ранен. Он одним из первых военачальников в годы войны был удостоен звания Героя Советского Союза.
На 26 июня намечался концентрированный удар механизированных корпусов Юго-Западного фронта по танковой группе противника. К тому времени она на 100 км углубилась на советскую территорию. 9-й и 19-й корпуса столкнулись с противником своими передовыми частями накануне вечером. 26 июня они решительным контрударом отбросили фашистские дивизии на 20–25 км северо-западнее Ровно. К вечеру того же дня с юга в район боев подошли части 8-го корпуса. Они продвинулись на северо-запад на 15 км. 22-й корпус, скованный боями на Луцком направлении, смог поддержать удар тоже лишь частью своих сил. 15-й корпус, ослабленный потерями, вел оборонительные бои.
Командование фронтом уточнило задание механизированным корпусам: наступая с севера и юга, сомкнуть клещи в районе Дубно и таким образом отрезать ударные части танковой группы врага, прорвавшиеся на восток. 27 июня советские механизированные корпуса возобновили наступательные действия. Самый сильный из них, 8-й, успел перебросить на новое направление только 34-ю танковую дивизию, которой командовал полковник И. В. Васильев, танковый и мотоциклетный полки. Они имели на вооружении танки новой конструкции и добились значительных успехов. Боевая группа под командованием бригадного комиссара Н. К. Попеля к вечеру прорвалась к Дубно и отбила его. В бою были захвачены вражеские танки и орудия. Группа Попеля, используя трофейную боевую технику, в течение двух часов отражала атаки 16-й танковой дивизии врага. В ночь на 28 июня из 13 трофейных танков была создана боевая группа под командованием старшего политрука И. К. Гурова. Пристроившись в темноте к вражеской колонне на марше, она стала расстреливать фашистские танки, давить автомашины. Гитлеровская танковая дивизия была настолько дезорганизована, что на следующий день не смогла продолжать наступление. Части 9-го механизированного и 36-го стрелкового корпусов также продвинулись в район Дубно, но завершить окружение противника им не удалось.
Смелые прорывы советских частей в тылы группы армии «Юг» всполошили фашистское командование. Начальник генерального штаба сухопутных сил вермахта отмечал «большой беспорядок в районе между Бродами и Дубно». Противник принимал срочные меры для ликвидации критического положения, спешно вводил в бой войска своего второго эшелона.
Наступательные действия частей трех советских механизированных корпусов и фронтальные атаки стрелковых войск, которыми командовал генерал М. Ф. Лукин, создали у командования фронтом надежду на разгром танковой группы врага. Однако отсутствие устойчивой связи и разведывательных данных о противнике не давало возможности четко координировать действия войск и правильно оценивать положение на различных участках фронта.
В последующие дни положение советских войск в этом районе ухудшилось. Потеряв значительное количество боевой техники из-за отсутствия ремонтных средств и нехватки горючего, ослабленные 9-й и 19-й механизированные корпуса вынуждены были с боями отходить на северо-восток. 8-й корпус перешел к обороне. Враг продолжал продвигаться в глубь советской территории.