К исходу 2 августа подготовка войск к операции была завершена, ударные группировки заняли исходное положение для перехода в наступление.
Ведение операции (3—23 августа 1943 г.)
3 августа после трехчасовой огневой подготовки, в которой участвовала артиллерия (до 100–230 орудий и минометов на 1 км фронта) и авиация 2 и 5 ВА, войска Воронежского и Степного фронтов перешли в наступление на главном направлении. В 13 часов, после того как стрелковые дивизии первого эшелона 5 гв. А вклинились в главную полосу обороны противника, передовые бригады 1 ТА и 5 гв. ТА были введены в сражение для завершения прорыва тактической зоны обороны противника.
К исходу 3 августа тактическая зона обороны противника была прорвана и танковые войска Воронежского фронта, развивая успех, продвинулись на 26 км. Войска 53А и правого фланга 69А продвинулись на 7–8 км. 4 августа продолжалось развитие наступления в южном направлении.
Утром 5 августа 27А и ударная группировка 40А перешли в наступление и к исходу дня продвинулись на 8—20 км.
К исходу 5 августа 6 гв. А овладела укрепленным оборонительным узлом Томаровка. 53А одновременно продвинулась и охватила Белгород с юго-запада, а 69А с правофланговыми соединениями 7 гв. А штурмом овладела г. Белгород. Танковые войска Воронежского фронта продвинулись на направлении главного удара на 40 км. Прорыв обороны противника был расширен до 90 км.
Противник был вынужден вернуть на белгородско-харьковское направление танковые дивизии, переброшенные им ранее на изюмско-барвенковское направление против вклинившихся войск Юго-Западного и Южного фронтов (тд «Рейх», «Мертвая голова», «Викинг», 3 тд), моторизованную дивизию «Великая Германия» с орловского направления. Противодействие этому маневру войсками осуществлялось силами фронтовой авиации Воронежского и Степного фронтов, 17 ВА Юго-Западного и 8 ВА Южного фронтов, авиации дальнего действия.
К исходу 7 августа 1 ТА овладела г. Богодухов, продвинувшись на 100 км и оторвавшись на 25–40 км от стрелковых дивизий, которые продолжали вести бои за сильные узлы сопротивления Борисовка, Головчино, Грайворон. Одновременно 5 гв. ТА, продвинувшись на 80 км, овладела узлами сопротивления Золочев и Казачья Лопань. 40 и 27А продвинулись на 25–30 км до рубежа Краснополье — Ямное; 53, 69А, 7 гв. А — до рубежа Казачья Лопань — Микояновка — Никольское. Прорыв был расширен до 120 км, группировка войск противника разрезана на две части.
К исходу 11 августа войска Воронежского фронта, развивая наступление на запад и юго-запад, вышли на рубеж Боромля — Ахтырка — Котельва — Высокоголье — Валки—18 км сев. г. Харьков, а войска Степного фронта, в состав которого с 8 августа была введена 57А Юго-Западного фронта, — 18 км сев. г. Харьков — Чугуев.