Бои на ближних подступах к Воронежу породили у Ставки неуверенность в способности командующего Брянским фронтом отстоять город. Поэтому «надзирать» за действиями генерал-лейтенанта Ф.И. Голикова и его штабной группы в Воронеже штабами 40-й армии и Воронежского боевого участка был направлен представитель Ставки ВГК командующий Войсками ПВО территории страны генерал-лейтенант М.С. Громадин. Он же во время боев за Воронеж лично руководил частями Воронежско-Борисоглебского района ПВО, выполнявшего задачи по борьбе с воздушным и наземным противником.
Понимая, что его судьба «висит на волоске», Ф.И. Голиков решил реабилитироваться перед вышестоящим командованием, разгромив дивизию «Великая Германия» и сбросив это соединение в Дон. Для реализации столь смелого замысла были сконцентрированы основные силы 18 тк: 181-я танковая бригада и 18-я мотострелковая бригада. На рассвете стремительным ударом они выбили немецкие войска из Подгорного. Однако за селом наше наступление было остановлено заградительным огнем германской артиллерии из-за Дона. К середине дня сюда подтянулись основные силы 48-го танкового корпуса вермахта. Обе бригады 18 тк и 605 сп к вечеру вынуждены были перейти к обороне на достигнутых рубежах.
На южной окраине Воронежа 287-й полк НКВД с утра 6 июля отбивал атаки германских войск. Немцам никак не удавалось прорваться в город. Лишь к вечеру, около 17.00, вражеской танковой роте с десантом на бронетранспортерах удалось пробиться в Чижовку и далее в центр города. И хотя в конце концов прорыв был ликвидирован подразделениями 110 тбр, контратаковавшей врага от вокзала, результаты борьбы были печальными. Из-за этого прорыва и боя по его ликвидации были повреждены и вышли из строя оба воронежских моста — ВОГРЭС и Чернавский.
Несмотря на то что сражения в районе Воронежа шли уже третьи сутки, германское командование также не добилось поставленных задач. Очередная попытка ворваться в город с запада вечером 6 июля натолкнулась на ожесточенное сопротивление 233-го полка войск НКВД при поддержке орудий 16 иптабр. Немцам становилось ясно, что «в лоб» этот рубеж им не взять. Тем более что германские подразделения на левом берегу реки Воронеж в районе 18.00 были атакованы советскими танками из 180 тбр при поддержке двух взводов пехоты и одной батареи артиллерии. Лишь с напряжением всех сил немцам удалось отбить эту атаку. 6 июля все германские соединения в районе Воронежа были втянуты в бой, а по немецкому плану отвод 48-го танкового корпуса с плацдарма должен был начаться еще сутки назад. Тогда для высшего командования удалось отговориться тем, что не подошли еще пехотные дивизии, которые должны были сменить танкистов. Однако к исходу 6 июля уже поступил категорический приказ: «ввиду усиления советского сопротивления» сменить 48-й танковый корпус 3-й моторизованной дивизией из 24-го танкового корпуса, хотя было вполне очевидно, что она самостоятельно, хоть и через несколько дней, город не возьмет. К тому же Гитлер требовал повернуть 4 ТА на юг, где все еще, хоть и с трудом, но продвигался 40-й танковый корпус.
Под давлением всей совокупности обстоятельств германское командование решило предпринять решительный штурм Воронежа. Используя то, что северная группа советских войск «выдохлась», было решено сосредоточить свои основные силы против обнаруженного слабого места советской обороны в Чижовке. Осуществление прорыва возлагалось на 24 тд. Следующей ее целью был захват центра города.
С утра 7 июля немцы планировали разгромить северную группу наших войск, во второй половине дня — захватить Отрожку и соединиться с десантом в Придаче. Тем более, что в ночь на 8 июля должен был начаться плановый отвод 48-го корпуса на юг. Его меняли три пехотные дивизии, которые должны были удерживать плацдарм.
Тем временем на советской стороне была затеяна очередная реорганизация управления. Из Воронежа выводился командный пункт Брянского фронта, а все войска в городе переводились в подчинение 40 А (КП которой должен был немедленно разместиться в городе. — Примеч. авт.). Пока наши командиры принимали меры к исполнению полученной директивы, германское командование приступило к осуществлению своего плана.
В 22.00 6 июля 24 тд всей своей мощью обрушилась на позиции 287-го полка НКВД. Позже в сражение ввели 16-ю моторизованную дивизию. В неравном ночном бою 287 сп был рассечен и обойден, а затем немцы вышли к Чернавскому мосту и после короткого боя выбили подразделения 125 сп НКВД с территории вокзала «Воронеж-2». В сложившейся обстановке все подразделения 287-го полка с большим трудом пробились к ВОГРЭСовской переправе и около нуля часов 7 июля отошли на левый берег реки Воронеж. Той же ночью остатки 498 сп и 110 тбр вплавь (через реку Воронеж) перебрались на левый берег. Несмотря на то что западные окраины, районы железнодорожных мостов и вокзала «Воронеж-1» оставался в руках советских войск, основная часть жилых кварталов города была захвачена немцами.