В течение ночи с 12 на 13 июля и следующим днем авиация 1-й ВА ЗапФ наносила бомбоштурмовые удары по войскам и позициям противника в районах Хатьково, Моилово, Кцынь – Сорокино (всего за сутки было совершено 652 самолето-вылета)[155]. Утром 13 июля 8-й гв. ск возобновил наступление. Перед ним была поставлена задача: прорвать тыловой оборонительный рубеж немцев на участке Старица – Речица; обеспечить ввод в прорыв 5-го тк; во взаимодействии с ним наступать в направлении Ульяново – Крапивна. На рассвете 13 июля, после 30-минутной артподготовки, части 8-го гвардейского и 5-го танкового корпусов 11-й гв. А продолжили движение вперед, стремясь овладеть крупным опорным пунктом второй полосы обороны противника в селе Старица, но были встречены контратакой 13-го и 14-го панцер-гренадерских полков 5-й тд, которая получила задачу создать рубеж обороны западнее Речицы. Используя заранее подготовленные укрепления и складки местности, немцы встречали атакующих сильным перекрестным огнем и контратаковали во фланги силами до двух-трех батальонов пехоты с 15–30 танками[156]. Одновременно по боевым порядкам наступающих советских войск пыталась нанести удары германская штурмовая авиация, действовавшая небольшими группами от 4 до 8 самолетов (всего в полосе ЗапФ за 13 июля было учтено 80 самолето-пролетов германской авиации[157]). Однако контратаки не только не принесли немцам успеха, но при этом был частично оттеснен со своих позиций, а частью окружен 13-й пгп 5-й тд под командованием полковника Генриха Бронзарта-Шеллендорфа (Heinrich Bronsart-Schellendorff)[158]. После отражения контратак генерал Малышев приказал корпусной артиллерийской группе произвести десятиминутный огневой налет, для которого на двухкилометровом фронте было сосредоточено более 250 орудий и минометов[159]. Огневой налет был дополнен ударом 224-й штурмовой авиадивизии полковника Михаила Котельникова (Михаил Васильевич Котельников), закрепленной за 5-м тк, по артиллерийским позициям и скоплениям техники в районе опорного пункта в Старице. После этого части 11-й гв. сд 8-го корпуса, которой командовал генерал Иван Федюнькин, действовавшие при поддержке 43-й гв. тбр полковника Михаила Лукашева (Михаил Павлович Лукашев), охватили Старицу с востока, скрытно продвигаясь по оврагам и лощинам мелкими группами пехоты и танков и одновременно отвлекая внимание противника огнем и демонстрацией наступления с севера. Завершив охват к 13 часам, части дивизии внезапно атаковали опорный пункт с юго-востока, завязали бои на окраинах, а затем прорвались в село. После уличного боя остатки разгромленного немецкого гарнизона пытались отойти на Медынцево, но были рассеяны ударом левофланговой 1-й гв. сд 16-го гв. ск под командованием генерала Николая Кропотина и 10-й гв. тбр полковника Андрея Бурлыги, выдвинувшихся для блокирования дороги Старица – Ульяново, которые обошли Старицу с запада и юга-запада.
Таким образом, к середине второго дня операции на этом участке оказалась преодолена и вторая полоса обороны немецкого 53-го ак. Наступающие советские войска открыли себе путь на юг и юго-восток, тогда как немецкие части спешно закреплялись на рубеже Желябово – Пустой – Медынцево.
Штурмовая авиация 1-й ВА ЗапФ начала наносить удары вдоль дороги Старица – Дудоровский – Кцынь и уничтожила мост через реку Рессету у Кцыни, полностью блокировав движение автотранспорта на этом участке и воспретив подход к месту прорыва неприятельских резервов. Теперь для развития успеха и глубокого расчленения обороны противника командование 11-й гв. А решило ввести в прорыв крупную группу танков из состава 5-го тк с задачей преследовать противника в направлении Крапивна – Афонасово. Танковая группа вошла в прорыв с 14 часов 30 минут и во взаимодействии с передовыми отрядами пехоты, преследуя противника на юго-восток, с ходу овладела селениями Веснины, Крапивна, отдельными отрядами продолжая развивать наступление на Ягодную. К исходу дня соединения 8-го гвардейского и 5-го танкового корпусов вышли на рубеж Белый Верх – Старица – Веснины – Крапивна.