16 июля (в РИ 3 июля) германская мотопехота прорвалась к пригороду Воронежа. Город охватили пожары, на его улицах развернулись ожесточенные бои за каждый квартал, дом, этаж бойцы бились насмерть.
В этот же день армия получила приказ "ударом в общем направлении Землянск, Хохол (35 км юго-западнее Воронежа) перехватить коммуникации группировки противника, прорвавшейся к реке Дон на Воронеж; действиями по тылам этой группы сорвать её переправу через Дон и оказать помощь выходящим из окружения частям 40-й армии".
Времени для подготовки и организации контрудара было мало, тем не менее, командование армии смогло своевременно выполнить приказ Ставки, и нанесла всеми своими соединениями мощный удар по врагу. Первым вступил в бой 7-й танковый корпус, которому для усиления были выделены 611-й легкий артиллерийский полк, две мотострелковые бригады (2-я и 12-я), а также 19-я танковая бригада полковника Калиховича.
Весь контрудар 5-й танковой армии строился на предположении о том, что наступающие немецкие танковые корпуса будут далее двигаться через Дон и Воронеж на восток. Однако это было не так. Уже в ходе боев от пленных было установлено, что армейской группе "Вейхс" ОКХ и ОКВ приказало высвобождать подвижные соединения 4-й танковой армии в районе Воронежа и двигать их на юг согласно плану "Блау".
В связи с контрударом 5-й танковой армии по левому флангу армейской группы "Вейхс", немецкое командование было вынужден отозвать свой 24-й танковый корпус, моторизованную дивизию "Великая Германия", три пехотные дивизии и 4-ю танковую армию из группировки, наступавшей вдоль Дона. Именно с этими силами и пришлось вступить во встречные бои нашей танковой армии.
Первый такой бой произошел с частями 11-й танковой дивизии противника в районе Красная Поляна. Около 170 наших и примерно столько же вражеских танков вступили в бой. Немцы в основном использовали средние и тяжелые танки с новыми длинными стволами танковых орудий могущие поражать наши машины на расстоянии до 1000 метров. Тем не менее к исходу дня враг был отброшен за р. Кобылья Снова. Наши части форсировали ее на участке Каменка, Перекоповка, однако дальше развить успех не смогли. Немцы заняли там прочную оборону и отражали все попытки их атаковать.
17 июля штаб ввел в сражение 11-й танковый корпус. Однако ни он, ни 7-й танковый корпус не добились успеха. Противник, имея превосходство в воздухе, оказывал упорное сопротивление. Вражеские бомбардировщики группами по 12-20 машин бомбили объекты армии по 7-9 раз в день. Очень сильно страдала от бомбежек пехота (2-я и 12-я мотострелковые бригады), которая временами вообще вынуждена была прекращать боевые действия.
К исходу четвертых суток боевых действий, соединения первого эшелона армии сломили сопротивление противника и, потеснив его, вышли к р. Сухая Верейка, где вновь были остановлены. По иронии судьбы речка Сухая Верейка оказалась довольно широкой водной преградой с заболоченной поймой. Броды не оборудовались, мосты были взорваны, подходы заминированы. Пока велась разведка, поиск бродов, темп наступления был утрачен. Немцы смогли перебросить на этот участок фронта крупные резервы пехоты и артиллерии.
Позже мы узнали, что с целью улучшению руководства войсками группа армий "Юг" была разделена на группу армий "Б" (6-я армия и армейская группа "Вейхс"; генерал-фельдмаршал Ф. фон Бок) и группу армий "А" (немецкие 1-я танковая, 11-я и 17-я армии, итальянская 8-я армия; генерал-фельдмаршал В. Лист).
Вечером 20 июля (в РИ 9 июля) перешла в наступление 2-я мотострелковая бригада 2 тк, а на рассвете 21 июля (в РИ 10 июля) вступили в сражение тяжелые танки 148-й танковой бригады. После пятичасового боя противник был выбит из села Бол. Верейки. Однако он непрерывно контратаковал, препятствуя развитию успеха. Его авиация безнаказанно "обрабатывала" боевые порядки корпуса. Утром 21 июля (в РИ 10 июля) в сражение были введены остальные силы 2-го танкового корпуса, но добиться каких-либо существенных результатов не удалось.
Немцы поставили на пути наших наступающих танков мощную противотанковую артиллерию, смертельную преграду из САУ, 88 мм зенитных орудий, групп танков действующих из засад и других ПТС. Наши танки, шли напролом, прогрызая оборону противника, и гибли десятками от вражеского огня, вспыхивая яркими факелами на полях придонья. Хорошо, что ремонтно-эвакуационные подразделения все поврежденные машины старались сразу же вывозить в тыл для ремонта.