Выступление Николая Федоровича было посвящено деталям операции. Используя карту, он изложил задачу Воронежскому фронту.

— Наша задача, — сказал Ватутин, — ударом 5-й и 6-й гвардейских общевойсковых армий прорвать оборону противника и вводом в прорыв фронтовой подвижной группы в составе 1-й и 5-й гвардейских танковых армий в высоких темпах развить наступление в общем направлении на Золочев, Валки в обход Харькова с запада...

Операция началась утром 3 августа с мощной артиллерийской и авиационной подготовки. Затем вперёд пошли 5-я и 6-я гвардейские армии. К 13 часам их части продвинулись на 4—5 километров. Для наращивания удара Ватутин одновременно ввел в сражение соединения первого эшелона двух танковых армий, корпуса которых завершили прорыв тактической обороны гитлеровцев и, продвигаясь к югу, вскоре разобщили Томаровcкий и Белгородский узлы сопротивления. Войска фронта наступали быстро и решительно. В результате армии фронта только за один день продвинулись вперед на 30 километров. Наступая на одном оперативном направлении, 1-я и 5-я гвардейские танковые армии чем-то напоминали острый бронированный меч, наносящий глубокий рассекающий удар.

По оценке военных экспертов, это был первый случай в Великой Отечественной войне, когда для развития успеха в качестве подвижной группы фронта одновременно были задействованы две танковые армии.

Командующий 1-й танковой армией генерал-лейтенант М. Е. Катуков в своих мемуарах «На острие главного удара» писал: «В памяти моей запечатлелось грандиозное движение советских танков, вошедших в прорыв. Мы шли по правой стороне пятикилометрового коридора двумя корпусными колоннами. Слева таким же порядком двигалась 5-я гвардейская армия. Нас прикрывала с воздуха эскадрилья “Яков”. Между колоннами сохранялась зрительная связь. За всю войну еще никто из нас не видел такого скопления советских танков на столь узком участке фронта.

Пройдя коридор прорыва, корпуса развернулись и вступили в бой с гитлеровцами... 1-я танковая армия получила задачу: развивая успех соединений 5-й гвардейской, наступать в общем направлении на Томаровка — Богодухов — Валки, перерезать пути отхода противника на юго-запад.

Наступление развивалось успешно. В первый же день наши соединения продвинулись на 15—30 километров и отсекли Белгородскую группировку врага от Томаровской».

У Ватутина было хорошее настроение: задача первого дня, очень трудного и ответственного, была успешно выполнена. Главное, считал Николай Федорович, не останавливаться, продолжать двигаться вперёд. Эти слова услышали от него и командармы, от которых он принимал доклады в режиме реального времени.

Второй день начался ожесточенными контратаками противника, но они были подавлены, и войска фронта продолжали активно наступать. 4 августа подвижная группа фронта прошла с боями 50 километров.

На рассвете 5 августа в центре полосы фронта перешли в наступление 27-я и 40-я армии. Они прорвали оборону на глубину от 8 до 20 километров. Прорыв обороны противника расширился еще на 26 километров. 6-я гвардейская армия овладела крупным узлом Томаровкой, а войска Степного фронта освободили от захватчиков Белгород. В честь этих побед в Москве прогремели залпы первого салюта Великой Отечественной войны. К слову, идея подобным образом славить войска принадлежала Сталину: в присутствии военачальников он якобы сказал, что в прежние времена, когда русские войска одерживали виктории, звонили в колокола во всех церквях, поэтому и мы должны отмечать победы Красной армии.

Оборона вермахта трещала по швам. Как вспоминал впоследствии Маршал Советского Союза К. С. Москаленко, немецкое командование «поняло всю опасность, создавшуюся в результате продвижения войск Воронежского и Степного фронтов, и начало стягивать к западу от Харькова крупные силы. Оно поняло, что под угрозу поставлена не только его Харьковская, но и Донбасская группировка и для предотвращения разгрома начало перебрасывать обратно с Донбасса и из-под Орла свои танковые дивизии СС. 6 и 7 августа наши войска продолжали двигаться вглубь обороны. 1-я танковая армия овладела городом Богодухов, а 27-я армия освободила Грайворон. Стрелковые войска отстали от танков на 25—40 километров. Н. Ф. Ватутин сознательно, с расчетом шел на риск. Он приказал танкистам пробиваться еще глубже в тылы противника, понимая, что чем глубже будет расколота Харьковская группировка врага, тем беспомощнее станет враг. К исходу 7 августа войска Воронежского фронта продвинулись на глубину свыше 100 километров, расширив прорыв до 120 километров». Между немецкой 4-й танковой армией и оперативной группой «Кемпф» образовалась 55-километровая брешь. Началась борьба непосредственно за овладение Харьковом.

Однако дальнейшие события показали, что темп наступления, взятый Воронежским фронтом, оказался чересчур высоким. Продвижение войск шло очень быстро, но без достаточного закрепления отбитых у немцев рубежей и обеспечения флангов. Этой ситуацией незамедлительно воспользовался противник, нанеся несколько мощных контрударов. Первый из них он нанес 11 августа из района Богодухова по войскам 1-й танковой армии и левому флангу 6-й гвардейской армии. А второй 18—20 августа — из района Ахтырки. На этом участке фронта его приняла 27-я армия. В результате ожесточенных боев фронт понёс ощутимые потери и был оттеснён к северу. По этой причине возможность выйти в тыл Харьковской группировке противника существенно сузилась.

Отход войск фронта назад вызвал очередное недовольство у Сталина. 22 августа в три часа ночи он направил в адрес Ватутина грозную телеграмму: «События последних дней показали, что Вы не учли опыта прошлого и продолжаете повторять старые ошибки как при планировании, так и при проведении операций. Стремление к наступлению повсюду и овладению возможно большей территорией, без закрепления успеха и прочного обеспечения флангов ударных группировок, является наступлением огульного характера. Такое наступление приводит к распылению сил и средств и даёт возможность противнику наносить удары во фланг и тыл нашим далеко продвинувшимся вперёд и не обеспеченным с флангов группировкам и бить их по частям».

Далее, указав Ватутину о напрасных потерях фронта и утрате выгодного положения для разгрома Харьковской группировки противника, Верховный категорично заключил: «Я еще раз вынужден указать Вам на недопустимые ошибки, неоднократно повторяемые Вами при проведении операций, и требую, чтобы задача ликвидации Ахтырской группировки противника, как наиболее важная задача, была выполнена в ближайшие дни».

О чем думал в те минуты Ватутин, читая телеграмму Сталина, нам никогда не узнать. Но ясно одно: жесткие, но справедливые слова Верховного, словно кнут, остудили пыл командующего и подстегнули его выполнить поставленную задачу. В течение суток обстановка изменилась к лучшему, контрудар противника был отбит. Действия правого крыла Воронежского фронта стали более решительными и организованными. Это позволило соседу — Степному фронту Конева — к полудню 23 августа освободить Харьков. Вскоре немцев выбили и из Ахтырки.

В этот же день Ю. Б. Левитан озвучил по радио приказ Верховного главнокомандующего И. В. Сталина, в котором, в частности, говорилось:

«генерал-полковнику Коневу

генералу армии Ватутину

генералу армии Малиновскому

Сегодня, 23 августа, войска Степного фронта при активном содействии с флангов войск Воронежского и Юго-Западного фронтов в результате ожесточенных боев сломили сопротивление противника и штурмом взяли город Харьков. Таким образом, вторая столица Украины — наш родной Харьков освобожден от гнёта немецко-фашистских мерзавцев.