В то время как Гитлер заявил на совещании, что взятие Воронежа для него не имеет значения, Сталин, опасаясь, что немцы начнут отсюда обходное движение в тыл Москвы, именно этому направлению уделял особое значение. Из резерва Ставки к Дону выдвигались 3-я и 6-я резервные армии, переименованные соответственно в 60-ю и 6-ю (13 свежих стрелковых дивизий). Одновременно готовился мощный контрудар силами 5-й танковой армии (2, 11, 7-й танковые корпуса, 19-я отдельная танковая бригада, 340-я стрелковая дивизия). В район Ельца была передислоцирована 1-я истребительная авиационная армия резерва Ставки (230 самолетов). Для «оказания помощи в организации обороны Воронежа» из Москвы примчались начальник Генерального штаба А.М. Василевский, его заместитель Н.В. Ватутин, начальник Главного автобронетанкового управления Я.Н. Федоренко.
Утром 6 июля 5-я танковая армия попыталась ударом с севера перехватить коммуникации Гота и сорвать переправу противника через Дон. К этому времени 4-я танковая армия уже поворачивала на юг, а на ее месте фронтом на север окапывалась инфантерия 2-й полевой армии. Как и прежде, советские корпуса вводились в бой поочередно, с ходу, без подготовки, на широком фронте. Немецкая пехота при содействии 9-й и 11-й танковых дивизий неорганизованные атаки русских успешно отбила. На этом 5-я танковая армия, на четыре дня задержавшая соединения Гота, прекратила свое существование и была расформирована.
Брешь между Брянским и Юго-Западным фронтами достигла 300 км в ширину и до 170 км в глубину. 7 июля был образован Воронежский фронт, в состав которого вошли 60, 40, 6-я общевойсковые, 2-я воздушная армии, 4, 17, 18, 24-й танковые корпуса, получившие задачу «прочно закрепиться» и во что бы то ни стало удержать восточный берег Дона. На противоположном берегу с аналогичными намерениями занимали оборону венгры.
Ближайшая задача наступления была выполнена. За девять дней сражения советские потери составили 162 тысячи человек. По немецким данным, было захвачено в плен 73 тысячи красноармейцев и уничтожено 1200 танков.
Группа армий «Юг» 7 июля разделилась на две части. Фельдмаршал фон Бок принял группу «Б», в состав которой вошли 4-я танковая, 2-я и 6-я полевые, 2-я венгерская и 8-я итальянская армии. Они должны были продолжить наступление, одновременно организовав оборону на рубеже реки Дон. Вновь созданное командование группы «А» приняло под свое начало 17-ю полевую и 1-ю танковую армии. На фельдмаршала Листа возлагалось руководство операциями по наступлению на Сталинград с юго-запада.