В середине дня 12-го сентября, после часовой артподготовки противник атаковал позиции наших 334-й и 335-й стрелковых дивизий 100-го ск на фронте шириной 12 км. В первом эшелоне атакующих действовали четыре пехотных дивизии при поддержке двух танковых дивизий 24-го моторизованного корпуса. Острие удара пришлось в стык обороны наших дивизий по оси Дундас — Гаранчи. Под удар попали левофланговый полк 334-ой и правофланговый полк 335-ой дивизий. Созданное более чем десятикратное превосходство в силах, позволило противнику к 18 часам прорвать первый и второй дивизионные оборонительные рубежи и выйти на шоссе Резекне — Гулбене. К 20 часам были смяты и переброшенные к участку прорыва корпусные резервы. Ночью Гудериан ввел в прорыв свежую танковую и две моторизованных дивизии 46-го мк, которые по шоссе и параллельным грунтовым дорогам походными колоннами двинулись на Гулбене. Пехотные дивизии, не взирая на ночную темноту, атаковали во фланги дивизии 100-го корпуса, пытаясь расширить прорыв.
На рассвете 13 сентября передовые отряды дивизий Гудериана уперлись в оборону 73-го ск 2-го Прибалтийского фронта в 12 километрах севернее Гулбене. В течение дня, при мощной поддержке фронтовой авиации, все попытки противника прорвать оборону корпуса были отбиты. Понеся значительные потери в живой силе и технике, Гудериан попробовал обойти Гулбене с запада.
На следующий день подтянувшийся к этому времени 24-й мотокорпус противника прошел по маршруту Лубана — Дзелзава, где уперся в позиции 90-го ск в 25 километрах юго-западнее Гулбене, где и застрял. Отборные 3-я и 4-я танковые дивизии Вермахта, вооруженные новейшими танками Т-3 и Т-4, не смогли прорвать оборону наших обычных стрелковых корпусов, к тому же, только недавно развернутых по мобилизации.
В этот же день по приказу Г. К. Жукова началось выдвижение с тылового рубежа 72-го ск, который должен был перекрыть Гудериану возможность продвижения на восток. Взамен этого корпуса в полосу 2-го Прибалтийского фронта выдвигался из полосы Западного фронта 92-й ск. С запада из полосы Прибалтийского фронта по приказу Главкома выдвигался 53-й ск, имея задачу перекрыть Гудериану пути движения на запад.
В полосу 2-го Прибалтийского фронта были передислоцированы из резерва ВГК две штурмовых, одна бомбардировочная и одна истребительная авиадивизии. Прибалтийский фронт получил дополнительно штурмовую и истребительную авиадивизии. Всего, авиация двух фронтов получила дополнительно 1030 боевых самолетов, причем все эти дивизии имели на вооружении новейшую технику. Штурмовики Ил-2, бомбардировщики Ар-2 и Пе-2, истребители ЛаГГ-3 в бомбардировочных и штурмовых дивизиях, истребители Як-1 в иад.