30 июня махновцы вошли в село Хоружевка, где попали под удар 488-го и 60-го полков. Не выдержав натиска, банда разделилась на две группы: большая бежала на север, а меньшая — на юг. Большую часть группы махновцев преследовала конница Григорьева. У села Луценкова бандиты были вновь атакованы и оставили на поле боя 110 убитых, шесть пулеметов и весь обоз. Меньшая часть банды сумела сломить сопротивление преследовавшего его отряда, посаженного на грузовики, и, разбившись на группки по 10–20 человек, прорвалась в район южного берега реки Сулы.
В приказе от 2 июля главнокомандующий войсками Украины М. В. Фрунзе писал: «Несмотря на все меры к достижению решительного успеха и уничтожению банды Махно, данные мною после поездки в район действий Махно указания и благоприятную для нас обстановку, бандитам еще удается ускользнуть от окончательного уничтожения, и преследующие банду отряды и маневренные группы, нанося противнику жестокие удары, упускают удобный случай к полному выполнению задачи».
Погоня продолжалась. Вечером 3 июля махновцы оказались прижатыми к линии железной дороги в районе Филенков — станция Кочубеевка. Поняв серьезность создавшегося положения, батька бросил небольшую группу всадников с обывательскими подводами навстречу преследующей его коннице и по пересеченной местности ускользнул с оставшимися силами в северо-западном направлении.
Изменение маршрута движения банды сбило преследующий отряд Федченко на неверный путь — он двинулся к северу. Махно, воспользовавшись этим, ночью 4 июля перешел у станции Кочубеевка железную дорогу и двинулся на юг. Так завершилась полтавская операция.
Газета «Коммунист» 13 июля 1921 г. сообщала: «Оперировавшая на Полтавщине банда Махно в результате неотступного преследования красноармейскими частями и эскадронами незаможных бежала из пределов Полтавской губернии, оставив до 200 человек убитыми и пленными, потеряв обозы и знамя».
Проанализировав полтавскую операцию, красное командование разработало план окончательной ликвидации банды Махно. Были тщательно изучены маршруты ее движения, что дало возможность предугадать направление новых рейдов, установлены базы снабжения махновцев. В районах, к которым они наиболее тяготели, были расположены встречные заслоны из красноармейских частей. Дальнейшее преследование сильно поредевшей банды осуществляли лишь два истребительных отряда и бронеотряды. В приказе командующего войсками Украины предлагалось перебрасывать истребительские отряды для встречных ударов, использовать для связи автомобили, самокаты и мотоциклы.