Новый импульс замедлившемуся наступлению должен был придать передаваемый в 3-ю армию 25-й стрелковый корпус из двух дивизий. Также вновь изготовился к быстрому броску вперед 1-й гв. танковый корпус. Маховик сражения раскручивался все быстрее. Резервы вводились в бой не только с советской стороны, но и с немецкой. В тот же день, 16 июля, XXXV корпус получил 2-ю и 8-ю танковые дивизии из 9-й армии. Сражение разгорелось с новой силой. Ввод в бой свежих сил позволил Брянскому фронту отвоевать еще несколько километров и остановиться на рубеже реки Олешня. Однако усиление немецкой обороны и удары люфтваффе вновь разрушили надежды советского командования на перелом в сражении за Орел.
В этих условиях было решено ввести в бой самый сильный козырь, самый мощный резерв Ставки ВГК на орловском направлении — 3-ю гвардейскую танковую армию генерала П. Рыбалко. Решение о ее использовании было наконец принято верховным командованием: армия передавалась Брянскому фронту. Сильным танковым ударом, словно молотом, советское командование рассчитывало сокрушить немецкую оборону на подступах к Орлу. Горбатов оказался провидцем: именно в полосе его войск в итоге вводилась в бой танковая армия. Планирование нового наступления столкнулось со старой проблемой: ввод танков в бой с рубежа небольшой, но труднопреодолимой для бронетехники вброд речки. Задачей пехоты 3-й армии стало образование плацдарма на западном берегу реки Олешня, с которой могли начать наступление танковые соединения Рыбалко.
К моменту ввода в бой 3-я танковая армия была свежим, хорошо укомплектованным объединением из двух танковых и одного механизированного корпусов. 12-й танковый корпус насчитывал исправными 127 Т-34, 70 Т-70 и 16 СУ-122, 15-й танковый корпус — 129 Т-34, 68 Т-70 и 16 СУ-122, 2-й механизированный корпус — 161 Т-34 и 56 Т-70, 91-я отдельная танковая бригада — 30 Т-34 и 20 Т-70. Это практически соответствовало тогдашним штатам советских танковых войск. Всего в армии Рыбалко было 461 Т-34, 220 Т-70 и 16 СУ-122. Наиболее серьезной проблемой была нехватка автотранспорта. Так, из 1214 положенных по штату автомашин 12-й танковый корпус имел к началу боев всего 854 штуки. Это существенно снижало его маневренность, часть мотопехоты была таковой лишь по названию — вместо грузовиков мотострелки были вынуждены двигаться пешком.
Маркиан Попов поставил армии Рыбалко следующую задачу: «3-й гвардейской танковой армии, используя успех наступления 3-й и 63-й армий, с утра 19 июля наступать в направлении Бортное, Становая, Становой Колодезь, Кромы и, действуя по тылам противника против Центрального фронта во взаимодействии с ним уничтожить его». Тем самым танковой армии ставилась амбициозная задача в интересах не только Брянского фронта, но и Орловской дуги в целом.
Наступление 3-й и 63-й армий на Орел возобновилось в 8.00 19 июля с короткого, но энергичного артналета. Пехота недавно введенного в бой 25-го стрелкового корпуса 3-й армии за три часа боя углубилась в расположение противника на 3–4 км и расширила прорыв в сторону флангов до 8–10 км. Немцы были оттеснены от реки на запад в достаточной степени, чтобы без помех переправить через нее танки. Около полудня танки Рыбалко обогнали наступающие стрелковые части. Углубившись в оборону противника, два танковых корпуса повернули на юго-восток — их задачей был прорыв южнее Орла в тыл 9-й армии. Несмотря на то что пехота обеспечила плацдарм, прорыва фронта не было. Немецкие части лишь оттеснили от реки. Поэтому танковым корпусам армии Рыбалко пришлось взламывать немецкую оборону. Быстрого прорыва в тыл 9-й армии не произошло. Танковые корпуса понесли тяжелые потери. Так, в 15-м танковом корпусе к исходу дня 19 июля осталось на ходу всего 32 Т-34 и 42 Т-70 (из 129 Т-34 и 68 Т-70 по состоянию на начало дня). Тем не менее удар 3-й гвардейской танковой армии произвел сильное впечатление на немцев. Под угрозой окружения оказалось левое крыло XXXV корпуса под Мценском. В этих условиях немецкое командование принимает решение отходить на ближние подступы к Орлу, на рубеж реки Ока.
Отход противника заставил советское командование предпринимать экстренные меры для захвата переправ через Оку. Эта река была серьезным препятствием, и если бы немцам удалось на ней закрепиться, прорыв обороны противника мог стоить большой крови. Даже не в штабе Брянского фронта, а в Москве почти молниеносно принимается решение бросить на захват переправ через Оку 3-ю гвардейскую танковую армию. Для армии Рыбалко это был разворот на 90 градусов относительно предыдущей задачи. К счастью, у Рыбалко был в резерве 2-й механизированный корпус, который был без труда развернут для прорыва к Оке. Сюда же был развернут 15-й танковый корпус. Разгромив по дороге несколько колонн отходивших немецких частей, танкисты вышли к Оке и захватили плацдарм на ее западном берегу. Вскоре к Оке подошли стрелковые дивизии 3-й армии.
Вечером 20 июля 3-я гвардейская танковая армия получила новый приказ из штаба фронта. Согласно этому приказу армия Рыбалко должна была перенести свои действия на юг, в полосу 63-й армии, и с рассветом 21 июля вновь наступать на Становой Колодезь. Этот поворот (уже второй за короткий промежуток времени) был заложен в той же директиве Ставки, которая разворачивала армию Рыбалко на Мценск. Штаб Брянского фронта лишь последовательно транслировал вниз перечисленные в ней задачи. В зависимости от обстановки целью наступления 3-й гвардейской армии должен был стать Орел или же тылы 9-й немецкой армии. Трудно сказать, почему Ставка не направила танковую армию в обход Орла с севера. Возможно, идея прорыва в тыл 9-й армии была чересчур заманчивой, чтобы от нее отказываться.
Тем временем немецкое командование сосредоточило крупные силы для ликвидации захваченных Красной армией плацдармов на Оке. Уход танковой армии на прежнее направление серьезно осложнил для 3-й армии борьбу за плацдармы. Точнее будет сказать, что первые атаки последовали на танковые части, но вскоре они сдали позиции стрелковым частям и ушли на юг. Все плацдармы вскоре были плотно блокированы, непрерывный артобстрел, авиаудары и контратаки наносили советским частям большие потери. В тех боях в составе 3-й армии действовала 308-я стрелковая дивизия — ветеран Сталинграда. Она была одним из тех соединений, которые непосредственно участвовали в обороне города. Когда на ее плацдарм обрушились удары авиации и атаки немецких танков, в дивизии вспоминали опыт Сталинграда. Советские части держались с тем же упорством. Приказ командира дивизии Гуртьева был краток: «Ни шагу назад! Стоять как в Сталинграде, насмерть!»
Однако удержать плацдарм 308-й дивизии не удалось. Эта дивизия, как и ее соседи из 3-й армии, была вынуждена оставить клочок земли на западном берегу Оки. Красная армия вообще отличалась большим упорством в удержании плацдармов. История с потерей плацдармов на Оке является одним из немногих примеров добровольной сдачи однажды захваченных клочков земли на берегу крупной реки. После отхода за Оку армия Горбатова окопалась и заняла оборону на восточном берегу реки, готовясь к новым боям.
Неудача с удержанием плацдармов заставляет задаться вопросом: удалось ли 3-й гв. танковой армии добиться решительного результата на прежнем направлении удара? Не была ли эта рокировка вдоль фронта напрасной? Танковая армия Рыбалко к 22 июля еще сохраняла значительный боевой потенциал. В ее составе насчитывалось 324 Т-34 и 173 Т-70, 27 САУ с 122-мм орудием, 300 орудий, в том числе 36 85-мм зениток, приспособленных для стрельбы по танкам. Однако в ситуацию вновь вмешались немецкие резервы.