В разведывательной сводке группы армий «Юг» указывалось: «На левом флаге 8 А в настоящий момент большая неразбериха. 4-й гв. тк, а также части 5-го гв. тк, отрезанные в результате атаки дивизии СС «Мертвая голова» и дивизии «Великая Германия», попытались прорваться в восточном направлении, но были отброшены на юг».
Подошедшие к полю сражения части 1-й танковой армии атаковали наступающие немецкие дивизии во фланг. Та же сводка группы армий «Юг» сообщала: «Крупные силы противника начали атаковать по фронту прикрытия в северо-восточном направлении (юго-вост. г. Ахтырка) с привлечением переброшенного с Орловской дуги 3-го гв. тк, 31-го тк, а также 7-й и 48-й гвардейских дивизий, переброшенных из района ГА «Север». Атаки были отражены. Одна только дивизия «Великая Германия» на этом участке подбила 100 танков противника». Тем не менее сильный нажим на XXIV танковый корпус позволил окруженным советским частям прорваться из окружения.
Заслон на пути прорыва 4-го гв. танкового корпуса у Колонтаева выставила дивизия СС «Мертвая голова». Имея превосходство как в людях, так и в технике, эсесовцы прочно закрепились в городе и его окрестностях. К Колонтаеву части 4-го гв. танкового корпуса подошли поздним вечером 20 августа. Как позднее отмечалось в отчете штаба корпуса: «Использовав внезапность, танки и самоходные орудия в течение первого получаса боя подожгли у противника 7 танков и много автомашин. Но обстановка сложилась не в пользу колонны частей корпуса, так как танки и артиллерия втянулись в улицу населенного пункта, где развернуться в процессе боя было очень трудно и вместе с этим у противника здесь уже было много танков, артиллерии, минометов, мотопехоты. Продолжая вести при свете пожаров ожесточенный уличный бой, часто переходящий в рукопашные схватки, отдельные группы бойцов под руководством офицеров ударами во фланг, обходя Колонтаев с севера и юга, начали обход группы танков и броневиков противника, скованной нашими танками и самоходными орудиями». Первым группам под прикрытием темноты удалось с потерями, но прорваться. С наступлением дня остальным подразделениям советского танкового корпуса пришлось разбиваться на мелкие отряды и просачиваться к своим по немецким тылам.
Однако 4-й и 5-й гв. танковые корпуса понесли большие потери в людях и технике в боях и при отходе из окружения. Так, к вечеру 22 августа в 5-м гв. танковом корпусе насчитывалось боеспособных всего 34 Т-34 и 3 Т-70, а в 4-м гв. танковом корпусе по состоянию на вечер 23 августа были боеспособны лишь 11 Т-34 и 8 МК III.