奥廖尔北部的德军没有这么好运，俄国人采取了新的炮兵战术，在炮火结束前二十分钟步兵跟着弹着点前进了，巴格拉米扬将军指挥的第11近卫集团军很快地击溃第一防线的两个德国步兵团，扑向第二道防线。德军投入了第5装甲师（有一百零二辆坦克，其中七十六辆是长炮管的四号坦克）进行反衝锋，与俄国的第1坦克军、第5坦克军（这两个坦克军至少有四百辆坦克和自行火炮）绞杀在一处。第11近卫集团军第70坦克旅的第263坦克营在丘布科夫少校的指挥下，夜间突入了乌里扬诺沃市，“希特勒匪徒乱作一团，丢下武器奔逃。”然后这个坦克营又马不停蹄地连续攻陷了三个村镇，歼灭掉德军的一个司令部。密集的炮火和强大而前赴后继的突击兵力暴风骤雨般袭来，到七月十三日黄昏时，奥廖尔北部德军的防御地幅已被突破，突破口达到了二十五公里之深。
七月十三日晚，莫德尔紧急向第2装甲集团军派出的援兵第2装甲师，该师协同集团军群的预备队第8装甲师增援了伦杜利克将军的防御。七月十四日，希特勒解除了涉嫌谋反的第2装甲集团军司令鲁道夫·施密特中将（施密特中将是从莫斯科战役之后就接替古德里安担任此职的，他已于七月十日被逮捕，首先由克勒斯纳步兵上将接替指挥）的职务，将第2装甲集团军与第9集团军合併，统归莫德尔大将指挥。这种临阵的人事变更给德军的指挥造成了额外的困难。
莫德尔要求军队坚持到最后一个人，他发出了最着名的，也是最能代表他性格的呼吁，“士兵们，我将与你们在一起！”并从南进集团中抽出四个师（第2、第8、第12装甲师；第112步兵师）用以支援奥廖尔以北的战斗，他命令新增加的预备队必须不分昼夜地机动。
七月十五日，奥廖尔登陆场的战斗异常激烈。“每前进一公里，进攻军队都要作出很大的努力，而且要有顽强的精神和战斗技能，中央方面军右翼（第43、第13、第70集团军全部）在前几天的激烈防御战中受到很大削弱。敌人善于利用工事良好的地区进行顽抗，我军转入反攻进展缓慢，简直是要一道道阵地钻过去。敌人采取了机动防御，一批部队进行防御，另一批便占领距离五至八公里的新地区，敌人不断地把剩余的坦克部队投入反衝锋。”（苏联《罗科索夫斯基元帅回忆录》）王牌的第505虎式装甲营再一次大开杀戒，它仅用两辆虎式坦克进行阻击，在短短的一个小时之内就击毁了三十二辆T-34坦克而自身却毫髮未损，但这种战术胜利远远无法阻止全局的崩溃。
苏联空军第16集团军在司令员Ｃ·Ｎ·鲁坚科空军元帅和参谋长II·Ｎ·布兰伊科空军上将的指挥下，每天完成一千架次以上飞行，德军的高射炮完全被压制，苏联轰炸机密集的突击有力地支援地面的进攻，“诺曼第”飞行大队的法国志愿者飞行员用铁血捍卫着俄国人的制空权，德国空军完全被“清除”出作战空域。（见俄版《军事历史杂誌》1963年第7期第30页）
从北面实施进攻的俄国近卫第11集团军前进了七十公里，前出到连接奥廖尔与布良斯克的铁路线与公路线，把突破口正面扩大到将近五十公里，向纵深推进了六十公里，威胁到整个奥廖尔德军突出部的补给线，莫德尔派出了第12、第18和第20三个装甲师。德军节节败退，已无法阻挡俄军潮水般的攻势。北部德军退回了进攻前的出发阵地。近卫第11集团军像一把尖刀似地插入德军防线的后方，为了阻止近卫军团的继续突破，莫德尔匆忙组建了一个战斗群，辖第41装甲军、第53步兵军，大德意志师、耶斯贝科战斗群等部队，由哈尔佩将军指挥，这个庞大的战斗群兵力最多时一度达到十七个师。哈尔佩将军在莫德尔的提携下后来担任到北乌克兰集团军群的司令。
苏德双方还在奥廖尔的上空展开着激烈的空战，七月十六日、十七日空战达到白热化。
七月十八日，俄军又增加了由Ｂ·Ｍ·巴达诺夫坦克兵中将指挥的第4坦克集团军、第2近卫骑兵军和帕维尔·谢苗诺维奇·雷巴尔科将军指挥的近卫坦克第3集团军的兵力，尤其是雷巴尔科将军的这个集团军就拥有七百三十一辆坦克和自行火炮。
一千多辆坦克和自行火炮组成的俄国坦克群如狂飙般突进，锐不可挡，第12坦克军迅猛地突入敌后。在古谢沃村旁边的小树林中，二十辆正在加油的德国坦克被突然出现的红军俘虏。七月二十日，德军的重镇姆岑斯克失守，守军大部分就歼。不过到七月二十一日前，近卫第3坦克集团军的突击则被莫德尔将军完全遏制了，没有发挥出什么大的作用。俄国坦克群企图寻找德军防线的弱点，但这样的弱点是不存在的。德军第8、第2装甲师的顽强狙击下，近卫第3坦克集团军陷入了一场代价高昂的消耗战之中，损失掉一大半的中轻型坦克。（近卫第3坦克集团军军长雷巴尔科将军，后来苏联装甲元帅，是又一位在第二次世界大战中大名鼎鼎的坦克名将，儘管他有缺乏工兵、炮兵等客观理由，此番则非常难堪地受挫于莫德尔手下了。）
俄军已经增加到了八十四个步兵师，十四个坦克军，十二个炮兵师和大量的独立坦克部队。而此时的德军损失极为惨重，疲惫不堪，第9集团军的每个师的人数都