Согласно указаниям Ставки ВГК, Центральный фронт должен был «армиями правого крыла (48, 13-й и 70-й при поддержке 2-й танковой и 16-й воздушной армий) ликвидировать вклинение противника в полосе его обороны, затем, нанося удар в общем направлении на Кромы и далее на северо-запад, охватить орловскую группировку немцев с юга и юго-запада и содействовать войскам Брянского и Западного фронтов в ее уничтожении». Важным преимуществом Центрального фронта была сильная артиллерийская группировка, ранее принимавшая участие в отражении немецкого наступления. К контрнаступлению привлекалось почти 7 тыс. орудий, в том числе артиллерийский корпус прорыва в полосе наступления 13-й армии. 2-я танковая армия (3-й и 16-й танковые корпуса, 348 танков на 14 июля 1943 г.) должна была стать эшелоном развития успеха, ее также планировалось использовать в полосе 13-й армии.
Наступление Центрального фронта началось дождливым утром 15 июля 1943 г. Плохая погода ограничила действия авиации, но мало повлияла на мощь артиллерийского удара. Один из участников тех событий А.П. Востряков писал: «В тот день погода действительно была неблагоприятной. Небо было затянуто сплошными тучами. Дождь, начавшийся с полуночи, лил не переставая, словно из ушата. Косые струи, барабаня по тягачам и лафетам орудий, смывали с них пыль, накопившуюся за время марша. Но для артиллеристов, казалось, и не было непогоды: настроение приподнятое, улыбки, быстрые, но несуетливые движения… В 5 часов утра земля вздрогнула. Огонь открыли орудия всех калибров и систем».
Однако, несмотря на мощную артподготовку, наступление не принесло быстрого успеха. Многие соединения немецкой 9-й армии уже отправились на другие участки фронта, но оставшиеся дивизии были вполне в состоянии сохранять устойчивость линии фронта. Также в составе 9-й армии оставался 505-й батальон тяжелых танков «Тигр». Он насчитывал на 14 июля боеспособными 20 машин. Уже 15 июля 88-мм орудия «Тигров» начали собирать кровавую жатву, когда два «Тигра» 505-го батальона отчитались об уничтожении сразу 22 советских танков в районе селения Теплое. Всего за первый день советского наступления частями 9-й армии было заявлено об уничтожении 230 танков.
Тем не менее удары по позициям 9-й армии заставили Моделя принять решение об отходе. В немецком отчете «Битва на Орловской дуге» отмечается: «Верховный командующий обеими армиями [т. е. 2 ТА и 9 А. – А.И.] при поддержке высшего руководства вермахта принял решение о возвращении 9-й армии на исходные позиции с тем, чтобы, сократив линию фронта, высвободить в качестве резерва четыре дивизии и использовать прежние оборонительные позиции».
Отход 9-й армии проходил планомерно, от рубежа к рубежу. Только к 18 июля, т. е. на четвертые сутки наступления, Центральному фронту удалось оттеснить немецкие войска на те позиции, которые они занимали к началу «Цитадели». Три дня боев стоили 2-й танковой армии 87 подбитых и сгоревших танков, 9-му танковому корпусу – 69 танков и САУ. Отсутствие быстрого продвижения в полосе 13-й армии заставило Рокоссовского уже 17 июля перегруппировать 2-ю танковую армию из полосы 13-й армии в полосу 70-й армии. Оба корпуса танковой армии были выведены из боя и переброшены на новое направление. Новой задачей армии стало наступление на Кромы – важнейший для немцев узел дорог в тылу 9-й армии. В тот момент в строю в танковой армии генерал-лейтенанта А.Г. Родина оставалось 290 танков (192 Т-34, 85 Т-70 и 13 Т-60).
К тому моменту сражение за Кромы было в самом разгаре. Начиная с 19 июля на город наступала 70-я армия Центрального фронта. Танковую армию предполагалось ввести в прорыв после выхода пехоты 70-й армии на определенный рубеж. В качестве танкового тарана для пехоты 20 июля был введен в бой в составе 70-й армии 19-й танковый корпус, насчитывавший 74 танка. За день наступления корпус потерял 34 боевые машины, или около половины своего состава, почти утратив ударные возможности. Однако неудача прорыва обороны силами пехоты не заставила отказаться от планов броска на Кромы. По мысли советского командования, ввод в бой 2-й танковой армии должен был переломить ход сражения в пользу Красной армии.
Если 19-й танковый корпус вводился в бой и столкнулся с мощной противотанковой обороной к востоку от шоссе Курск – Орел, то 2-ю танковую армию решили использовать к западу от этого шоссе. Однако роковую роль сыграло промедление с вводом крупных масс танков. Танковая армия сосредоточилась в выжидательном районе еще вечером 19 июля. Из-за невыполнения плана 70-й армией наступление было отложено на утро 22 июля. Появление крупных сил мотопехоты и танков оказалось вскрыто немецкой разведкой. Еще в разведсводке группы армий «Центр» от 18 июля указывалось: «По имеющимся разведывательным данным, войска передвигаются в район между дорогой Орел – Курск и населенным пунктом Чернь, и на участок перед правым флангом 46-го танкового корпуса».
В качестве реакции на данные разведки в течение второй половины дня 21 июля и в ночь на 22 июля немцы подтянули резервы в полосу XXXXVI корпуса. Оборону немецких пехотных дивизий на подступах к Кромам усилила 4-я танковая дивизия. К 20 июля она насчитывала 73 боеготовых танка, в том числе 52 Pz.IV с длинноствольным орудием, способных уверенно справляться с советскими танками. Кроме того, к полю боя подошел 505-й батальон тяжелых танков «Тигр» (19 боеготовых Pz.VI на 20 июля). В итоге атаки советских танков утром 22 июля были встречены ураганным огнем и контратаками танков. 2-я танковая армия, на которую возлагались большие надежды, продвинулась всего на 2–4 км, потеряв при этом за день 109 танков подбитыми, сгоревшими и подорвавшимися на минах. Поскольку немцы в тот период опирались на старые позиции 9-й армии, готовившиеся несколько месяцев перед «Цитаделью», немалые потери советские танки понесли на минных полях. Из 109 потерянных танков 2-й танковой армии 19 танков (почти каждый пятый танк) подорвались на минах. Потери были столь тяжелыми, что уже поздним вечером 22 июля армия получила приказ «отвести танки в укрытие в 2–3 км от переднего края». Наступление 13-й и 70-й армий было приостановлено.
Несмотря на вывод из боя танковой армии, после короткой паузы советские атаки возобновились. 70-я армия начиная с 25 июля пыталась пробиться к Кромам силами своих пехотных частей. Хотя наступление успеха не имело, силы немецкой обороны также постепенно таяли. К 31 июля в 505-м батальоне тяжелых танков оставалось в строю всего 3 «Тигра».
Новый импульс наступлению Центрального фронта дала передача в распоряжение К.К. Рокоссовского 3-й гвардейской танковой армии П.С. Рыбалко. Она была уже изрядно потрепана в боях на подступах к Орлу в составе Брянского фронта, но еще сохраняла свой боевой потенциал, по крайней мере, в отношении бронетехники. На 28 июля она насчитывала 243 Т-34, 114 Т-70 и 27 самоходок СУ-122. Потерпев неудачу в попытках взломать оборону противника в полосе 13-й и 70-й армий, Рокоссовский решил попытать счастья в полосе 48-й армии, на правом фланге своей ударной группировки. Он сменил направление удара, рассчитывая нащупать слабое место в обороне немецкой 9-й армии.
Однако надеждам на крупный успех не суждено было сбыться. В 14.00 28 июля 3-я гвардейская танковая армия перешла в наступление, но успеха не имела. Также достаточно скромными были результаты атак в два последующих дня. Поздним вечером 30 июля командующий Центральным фронтом отдал приказ «временно прекратить» наступление 48-й и 3-й гвардейской танковой армий, фактически признавая его неудачу. В отчете штаба Рыбалко по итогам боев указывалось: «Основная причина неуспеха войск 3-й гв. танковой армии – малочисленность мотопехоты и отсутствие артиллерии поддержки стрелковых подразделений. Вследствие этого танковые части несли большие потери от артогня противника, а достигнутый танкистами успех некому было закрепить, и в результате контратак противника они вынуждены были отступать назад». Понесенные в боях на подступах к Орлу потери сказывались на боеспособности танковой армии Рыбалко. 1 августа Рокоссовский отдал штабу Рыбалко приказ, начинавшийся словами «В связи с неуспешным наступлением армии…». Танковая армия должна была перегруппироваться в район к югу от заветного города Кромы.