在沃罗涅日方面军第5、6近卫集团军攻击方向，德军只有第52军的第255、332、167步兵师，平均每师的防御正面宽14～16公里。双方一线力量对比为红军16万人，390辆战车；德军约4万人。
在这个地段，德军预备队包括第19装甲师（可动坦克和强击火炮49辆）和第6装甲师（可动坦克28辆），以及第323步兵师和第52坦克营（可动重型坦克10辆）。红军的后续坦克部队包括第1坦克集团军和第5近卫坦克集团军，战车总数超过1000辆以上！
红军在突破地段形成了更为惊人的优势！第5近卫集团军主力集中在16公里正面，右翼为第32近卫步兵军，左翼为第33近卫步兵军。当面只有2个德国步兵团。苏第6近卫集团军主攻路线也只有2个德国步兵团。压倒一切的炮火和绝对的优势兵力保证苏军很快取得突破。
苏第5近卫集团军的攻势最为猛烈。该集团军第一梯队为第66、97、13、6、95近卫师；第二梯队为第9近卫伞兵师，预备队第42近卫步兵师。攻击开始后，第32近卫步兵军以第66、97、13近卫步兵师，在第93坦克旅和第1547自行火炮团支援下，冲垮了德军第164步兵团（来自第57步兵师）；第33近卫步兵军以第6、9近卫伞兵师和第95近卫步兵师，由第28、57重型坦克团和第1440、1549自行火炮团支援，攻入了几乎被炮火荡平的德第332步兵师和第167步兵师接合部。红军的进攻洪流很快冲破了德国的前三道壕堑。
炮击中损失惨重的德国人，直到苏军突入防线3公里后，才组织起反击。德国飞机终于出现在天空。但在“城堡”战役中曾经威风一时的德国空军已经失去了昔日的凶猛，其第8航空军在这个决定性的日子只凑出了521架次，远远不及苏联空军当天的2670架次！
苏联人很快克服了德国人微弱的反抗，继续快速推进！第32近卫步兵军在中午最终清除了德第164步兵团，并以迅雷不及掩耳之势俘获了该团团部。第33近卫步兵军则以第6近卫伞兵师撕开德第332步兵师的防线，并于9点30分强渡沃尔斯克拉河，接着又突破了德军第二道防线。
当第5近卫集团军迅猛推进的同时，其右侧第6近卫集团军同时进展顺利，以第52、53近卫步兵师突破德军防线。
红军的“喀秋莎”火箭炮
红军在别尔哥罗德方向的突破
经过4小时猛攻，到14时左右，红军已经深入德军防御6～7公里。后续各坦克集团军主力开始进入突破口：11时50分，苏第1坦克集团军进入；11—15时，整个第5近卫坦克集团军通过了突破口。第5近卫集团军为2个坦克集团军提供炮火和工程技术保障，空军则为每个坦克集团军提供1个强击航空师和1个歼击航空兵师团的支援。
两个红军坦克集团军开始向德军纵深推进。由上千辆战车组成的巨大装甲洪流滚滚向前！坦克第一集团军司令卡图科夫后来描绘道：“在敌人的防线中形成了一条走廊，有两个坦克集团军进入走廊。涌入突破口的苏联坦克的庞大运动给我留下深刻的印象。我们以两路纵队在5公里走廊的右侧行进。近卫第5集团军以相同序列在左侧行进。‘雅克’式飞行大队从空中掩护着我们。纵队之间保持目视联络。整个战争期间，我们任何人都还没有见过苏联坦克集结在如此狭窄的方面军地段上！”
进入突破口的苏联坦克进展迅速，到18时已经在德军纵深推进20公里。面对红军坦克集群的严重威胁，德军火速投入了预备队：第19装甲师，第52坦克营负责增援左翼第332步兵师；第6装甲师支援右翼第167步兵师。
3日晚，施密特将军的第19装甲师赶赴火线，并不断冲击红军第1坦克集团军和第6近卫集团军的锋头。其第73、74装甲步兵团填充了第332步兵师的后方，打击红军第1坦克集团军第3机械化军；红军第6近卫集团军，也在离托马罗夫卡4公里处遭到第19装甲师的阻击。第6近卫集团军右翼的第51、71近卫步兵师击败了德军第332步兵师第676团，但被德军第52坦克营的重型坦克和第255师的反击所阻止。苏军虽然将第二梯队第90近卫步兵师和第5近卫坦克军投入战斗，但在3日晚上未能达成突破。(www.xing528.com)
由于在托马罗夫卡地区遭到德军预备队的顽强抵抗，红军第1坦克集团军和第6近卫集团军放慢了进攻节奏。但在第1坦克集团军左侧，第5近卫坦克集团军以第29、18坦克军为第一梯队，第5近卫机械化军为第二梯队，到3日晚已经推进26公里。
通过第一天的进攻，沃罗涅日方面军取得重大突破，已在德第4装甲集团军和“肯普夫”战役集群之间拉开了一个大口子！壕堑内的德国步兵几乎被清除一空，残余兵力败退下来，在装甲部队支持下力图从左右两面遏制红军突破口的扩大：
左翼，德军第255、332步兵师，第19装甲师主力和第52坦克营依托托马罗夫卡据点，阻挡红军第1坦克集团军和第6近卫集团军；右翼，第167步兵师，第6装甲师阻挡红军第5近卫坦克集团军和第5近卫集团军。由于兵力不足，德军无力占据连贯的战线，只能聚集在支撑点内，并以装甲反击阻止苏军前进。
8月4日，红军沃罗涅日方面军继续推进，但势头远不如第一天凌厉。第6近卫集团军第23近卫步兵军全天推进4公里；第5近卫集团军的第32近卫步兵军从4时30分开始，动用第66、97近卫步兵师猛攻德第19装甲师的侦察营、第73装甲步兵团和第164步兵团残部，也仅前进了1.5公里。
经过持续战斗，德军士兵已经疲惫不堪
第5近卫坦克集团军抛下第5近卫集团军的步兵，从8月4日5时发起快速进攻。但在9时，其第18、29坦克军遭遇了德第6装甲师。德军装甲部队在空军的支援下，利用河流和村庄的掩护，阻止了苏军的推进。到4日晚，两个苏联坦克军只前进了3～4公里。8月4日当天，德国空军第8航空军出动了1119架次，比昨天超过了一倍多！
当天，托马罗夫卡一线持续激战。红军第1坦克集团军以及第13近卫步兵师切断了托马罗夫卡—别尔哥罗德公路，第33近卫步兵军也从这个方向赶走了德第167步兵师和第6装甲师。这样，苏联人初步孤立了托马罗夫卡德军。
被苏军俘虏的德国士兵
随后，第1坦克集团军继续强攻托马罗夫卡。第6坦克军和第5近卫坦克军，从北和东北面进攻；第3机械化军则从东南方实施迂回。在德军的顽强抗击下，红军向托马罗夫卡的正面进攻受阻，只有第3机械化军在迂回过程中前进了20公里。苏联人决心扩大这一成果，将第6和31坦克军也投入到了迂回进攻中。托马罗夫卡侧后遭到红军严重威胁，但防守于此的德第19装甲师，以及第255、332步兵师却没有撤退，而是继续死守。
8月5日，托马罗夫卡争夺战还在继续。早晨，苏第6近卫集团军的第52近卫步兵军、第5近卫集团军的第32近卫步兵军和第5近卫坦克军发起强攻。战斗到下午，苏军进抵托马罗夫卡北郊4公里处，但随后就被德第52坦克营所阻止。只有第13近卫步兵师深入德军防线后方。
为了就近支援地面作战，苏联空军已经把机场推进到距离战线40～60公里的地方，其空战战术也发生了变化。此前，俄国人采用12～16架战斗机的大编队以掩护地面部队。但在8月5日，这一战术却遭到了挑战。当天第181歼击航空兵团的12架拉-5在托马罗夫卡等地上空3500米高度巡逻时，突然遭到德军4架Fw-190战斗机来自后上方的袭击，1架拉-5被击落，整个编队也在混乱中被德国人从巡逻空域挤了出去，德军的30架Ju-87随后乘机对苏军地面部队实施了轰炸并造成重大损失。苏联人将这次失败的主要原因归结于大编队战斗机难以协调。此后，苏联空军缩小了空战编队（2～6架），并将小编队分别配置在高中低三个空域。但从8月4日以后，德国第8航空军却几乎从空中消失了。
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