Перенаправлением под Смоленск 16-й и 19-й армий дело не ограничилось. Несмотря на сложную обстановку на Юго-Западном фронте, Генштаб Красной армии без колебаний санкционировал переброску на Западный фронт 8-го и 16-го механизированных корпусов. Вслед за ними отправился 7-й стрелковый корпус.
Верховное командование безжалостно выкачивало из Юго-Западного фронта все резервы ввиду необходимости восстановления фронта на московском направлении. Однако еще до прибытия войск с Украины под Смоленск Западный фронт получил еще один мощный и неожиданный удар. Тимошенко считал, что у него еще есть время на организацию обороны. Но стремительное изменение обстановки опрокинуло все его расчеты. Выход немецких танковых соединений на рубеж Западной Двины и Днепра застал сосредотачивавшиеся на этом рубеже 22, 20 и 21-ю армии еще в процессе выгрузки из эшелонов. Большая часть эшелонов к моменту прорыва немцев была еще в пути.
Соединения 3-й танковой группы Рейнгардта действовали в строгом соответствии с планом. Набирая скорость, все три корпуса группы устремились к Полоцку и Витебску. На ближних подступах к Полоцку танковая колонна неожиданно напоролась на бетонные укрепления. Некоторые из них были замаскированы под жилые постройки. Несколько танков было подбито, на грузовики с пехотой обрушился шквал огня артиллерии. Пришлось немедленно разворачиваться в боевые порядки, выводить на позиции артиллерию и вызывать пикирующие бомбардировщики. Однако первый же бой показал, что полевая оборона вокруг ДОТов осталась полупустой. Штурмовые группы блокировали один ДОТ за другим. Несмотря на ожесточенное сопротивление гарнизонов, через несколько часов все было кончено. Боевая группа 7-й танковой дивизии снова свернулась в боевые порядки и продолжила наступление на восток. Вечером передовая боевая группа дивизии остановилась для дозаправки и пополнения боезапаса. Однако в разгар заправки танков от боевого охранения поступило донесение о приближающемся советском эшелоне с войсками. Немцам пришлось спешно вводить в бой успевшие заправиться танки. Паровоз был подбит на первых минутах боя. Уже под огнем советские пехотинцы спрыгивали на железнодорожную насыпь и принимали бой. Однако силы были неравны, и вскоре на месте эшелона стояла груда дымящихся остовов вагонов. Захваченные пленные говорили, что они прибыли с Урала. Эшелон начал выдвижение к границе еще в середине июня. Он должен был выгрузиться в Полоцке.
Позднее выжившие будут называть те бои «битвами в эшелонах», «вагонными баталиями» и «рельсовой войной». Вагоны становились казармами, штабами и фортами на колесах. Железнодорожная насыпь превращалась в крепостную стену, и рельсы становились бруствером. Выдвигавшиеся на запад эшелоны с войсками части иной раз вступали в бой буквально в вагонах. Часто орудия открывали огонь прямо с платформ. Почти легендарным стал случай, когда зенитная батарея из 76-мм пушек прямо с платформ расстреляла несколько немецких танков. Однако перевозимые в эшелонах орудия чаще всего имели малый запас снарядов. Здесь многое зависело от смелости и решительности командиров, которые волей случая оказывались во главе групп бойцов из разных частей, оказавшихся в одном или нескольких эшелонах. Общую сумятицу усиливали постоянные бомбардировки с воздуха.
Наиболее ожесточенным было «вагонное сражение» за Витебск. На вокзале и железнодорожных путях под городом скопилась сразу большая группа не добравшихся до мест назначения эшелонов. В них были перемешаны части разных дивизий. Что самое важное: в Витебске и под ним застряли эшелоны с боеприпасами. Поэтому оказавшиеся здесь части не испытывали проблем ни с патронами, ни со снарядами. У защитников Витебска был даже бронепоезд и несколько танков. Возглавил оборону энергичный комбриг Зыгин. Именно по его инициативе после получения известий о приближении немцев к городу части спешно выгрузились из вагонов и начали строить оборону. Бои за город шли несколько дней. Несколько раз Витебск подвергался ожесточенной бомбардировке пикировщиками VIII авиакорпуса. Город огрызался шквальным огнем зенитных автоматов невесть откуда взявшегося и застрявшего в Витебске зенитного полка. Город фактически оказался под ударом сразу двух танковых корпусов противника. Один корпус атаковал через Полоцк, второй — от Бешенковичей.