Для удобства управления войсками, действовавшими на воронежском направлении, решением Ставки ВГК 7 июля был образован Воронежский фронт, в состав которого были включены 60 (бывшая 3-я резервная армия), 40-я и 6-я (бывшая 6-я резервная армия) армии, 17, 18-й и 24-й танковые корпуса. Командующим фронтом был назначен генерал-лейтенант Н.Ф. Ватутин, членом Военного совета — корпусный комиссар И.З. Сусайков, начальником штаба — генерал-майор М.И. Казаков. Ф.И. Голиков был понижен в должности и стал заместителем командующего Воронежским фронтом. На вновь созданный фронт возлагалась задача прикрыть направления на Тамбов и Борисоглебск. На ответственности войск Брянского фронта, состоявшего из 3, 48, 13-й и 5-й танковой армий, оставалась задача прикрытия южных подступов к Москве. Командующим этим фронтом в середине июля был назначен выздоровевший после ранения в марте 1942 г. генерал-лейтенант К.К. Рокоссовский, членом Военного совета — полковой комиссар С.И. Шалин, начальником штаба — генерал-майор М.С. Малинин. Бои под Воронежем были богаты на кадровые перестановки. За неудачи в организации контрудара силами 23-го танкового корпуса командующий 28-й армией Д.И. Рябышев был снят с должности, и его место занял командир 3-го гвардейского кавалерийского корпуса В.Д. Крюченкин.
Важные организационные изменения произошли также в руководстве немецкими войсками на южном секторе советско-германского фронта. Как это было запланировано ранее, 7 июля 1942 г. группа армий «Юг» была разделена на группы армий «А» и «Б». Группу армий «Б», включавшую в себя 4-ю танковую (Гот), 6-ю (Паулюс) и 2-ю (Вейхс) армии, 8-ю итальянскую армию (Гарибольди) и 2-ю венгерскую армию (Яны), возглавил Федор фон Бок. Для группы армий «А» с весны 1942 г. готовился штаб под командованием маршала Вильгельма Листа. В подчинении группы армий «А» поступили 1 — я танковая армия (Клейст) и армейская группа Руофа (17-я армия и 3-я румынская армия).
Одним из главных эффектов от броска Вейхса на Воронеж было отвлечение резервов Красной Армии. Напряженная обстановка, создавшаяся на стыке Брянского и Юго-Западного фронтов, заставила советское командование принять меры к предотвращению форсирования противником р. Дон и приостановлению дальнейшего продвижения его войск на восток. С этой целью директивами Ставки ВГК № 170478, 170480 на левый берег Дона на участок от Задонска до Воронежа была выдвинута 3-я резервная армия, на участок от Воронежа до Павловска — 6-я резервная армия, а от Павловска до Клетской — 5-я резервная армия. Армии были переименованы соответственно в 60, 6-ю (взамен сгинувшей под Харьковом, ее возглавил постоянный участник боев за Харьков Ф.М. Харитонов) и 63-ю армии. Одновременно из района Сталинграда по директиве Ставки ВГК № 1035033 была выдвинута в район Усмани, Графской, Рогачевки (30 км юго-восточнее Воронежа), Анны (90 км восточнее Воронежа) 7-я резервная армия, до этого занимавшая оборону в районе Сталинграда.
Прорыв на Воронеж вызвал большое беспокойство у советского командования, и под Воронежем были собраны крупные танковые силы. Контрудары танковых корпусов и танковой армии в силу специфичности обстановки ожидаемых результатов не принесли. Однако одновременно нажим советских танков на северное крыло группы армий «Юг» вызвал определенные нарушения в графике проведения операции «Блау». За задержку под Воронежем генерал-фельдмаршал Федор фон Бок был 13 июля 1942 г. отстранен Гитлером от командования группы армий «Б». В 6.00 15 июля барон фон Вейхс принял командование группой армий, сдав командование 2-й армией генералу Сальмуту. Такое суровое наказание Гитлер позднее объяснял так: