6月28日，由空军第8军提供大规模的空中支援，第2集团军提供左翼保护，霍斯指挥德军第4装甲集团军突破苏军第13和第40集团军防线交界处。6月30日，保卢斯指挥第6集团军向苏联西南方面军发动进攻，击溃第21集团军以及里亚贝舍夫指挥的第28集团军。同日，当戈利科夫向斯大林报告第13集团军仍在坚守阵地的时候，帕尔谢戈夫少将指挥的第40集团军已被击溃。斯大林拒绝苏军进行战术撤退，他亲自对战斗进行遥控指挥，派遣几个坦克军前去增援布良斯克方面军，却没有授权戈利科夫对这几支坦克军的战术部署进行充分控制。在斯大林的督促下，上述几支后备部队虽然很快进入战场，但缺乏统一组织，混乱无序、各自为战。希特勒越来越强调消灭苏军的重要性，7月1日，德军第2集团军调头向南推进，在旧奥斯科尔与第6集团军会师。苏军第40集团军进行了殊死抵抗，其中大多数人在德军7月2日完成合围之前向东逃离。7月3日，第4装甲集团军抵达沃罗涅日西部的顿河上游。此时，在德军的进攻下，布良斯克方面军南翼与西南方面军北翼之间出现一个64公里的缺口。

7月3日，苏联最高统帅部命令利久科夫少将率领布良斯克方面军下辖的坦克第5集团军向德军第2集团军左翼发起反击。坦克第5集团军装备800辆现代坦克，尽管战斗力极强，仍然无法与经验丰富、骁勇善战的德军对垒。他们遭到德国空军的猛烈打击，坚持战斗到7月8日，但没有阻止德军向沃罗涅日推进。在德军第2集团军右翼，德军第4装甲集团军已经逼近顿河。在这种情况下，戈利科夫受到了被降职的极不公正的对待。此次失误实际上是苏联最高统帅部的过错，他却成了替罪羊。7月5日，罗科索夫斯基中将取代戈利科夫，担任布良斯克方面军司令员，戈利科夫则被降职为沃罗涅日方面军副司令员。

沃罗涅日位于顿河上游以东公里处，是莫斯科与顿河湾之间主要的公路与铁路枢纽。由于诸多原因，苏联对该座城市极其重视，而德军更是对其垂涎三尺。根据“蓝色”行动方案，德军第2集团军将在库尔斯克与沃罗涅日之间建立一处防御阵地，以便在德军第4装甲集团军和第6集团军根据“蓝色”行动第三阶段作战计划沿着顿河向沃罗涅日东南部推进时保护其后方。可见，该城市对于德军成功实施“蓝色”行动至关重要。同样，沃罗涅日对于苏军在北部和南部之间实施战略机动具有重要的战略意义。一旦该市落入德军手中，就可以将其用做后勤支援的跳板，直接进攻莫斯科；或者向东推进161公里，切断斯大林格勒―坦波夫―莫斯科之间的铁路交通，迫使苏军为了保持与南部的战略物资供应路线，不管德军是否在沃罗涅日北部或南部活动，只能够向东迂回。希特勒认为，问题关键在于不能让沃罗涅日影响到第4装甲集团军向东南方向推进的步伐。7月5日，博克向希特勒建议，沃罗涅日的防御比较薄弱，有可能被轻易攻破。希特勒勉强同意了博克的计划。博克立即派遣第40装甲军向沃罗涅日南部发起进攻，第4装甲集团军其余部队以最快的速度跟进支援。然而，令希特勒大为恼火的是，德军严重低估了沃罗涅日苏军守备部队的实力，德军不但没有迅速占领该城，第48和第24装甲军反倒在该市陷入困境。直到7月9日，德军才占领了沃罗涅日。

“蓝色”行动第一阶段已经结束，战果远远没有达到希特勒的要求。虽然德军攻占了大片土地，但在顿河西部实施“大规模歼灭战”的过程中，只俘虏了4万人。当德军第4装甲集团军大部分兵力在沃罗涅日激战时，苏联西南方面军和南方面军识破了德军欲从北部对其分割包围的图谋，于是迅速向东撤退。直到7月8日，德军第1装甲集团军和第17集团军才开始前进，在应付苏军的后撤战斗中，进展非常缓慢。沃罗涅日一战使希特勒恼羞成怒，罢免了博克的司令官职务，7月9日，他首次对“蓝色”行动进行重大调整。如同1941年8月的“第33号元首指令”对于“巴巴罗萨”行动产生重大影响一样，这次调整也将对战斗进程产生重大影响。德军南方集团军群被拆分为A、Ｂ两个集团军群，A集团军群由陆军元帅威廉·利斯特指挥，包括第1装甲集团军、第17集团军、罗马尼亚第3集团军以及意大利第8集团军。根据希特勒的计划，A集团军群将向东部推进，在全歼不断撤退的苏军之前，与第4装甲集团军会合。随后，A集团军群将调头南下，夺取罗斯托夫，率先向高加索地区发起进攻。Ｂ集团军群由陆军元帅冯·魏克斯指挥，下辖第6集团军、第4装甲集团军、第2集团军以及匈牙利第2集团军。在德军第6集团军与第4装甲集团军向东推进切断伏尔加河的同时，仆从国军队以及德军第2集团军对其北翼提供保护。攻占斯大林格勒并非德军的进攻目标。7月13日，希特勒从第6集团军抽调第40装甲军南下，在罗斯托夫北部161公里处的米勒罗夫诺执行合围任务。然而，在7月14日，德军只俘虏了万人。事实上，苏军已经顺利撤退到了东部。与1941年不同的是，苏军不再一味地坚守阵地、顽强抵抗直至被德军残酷消灭。7月6日，斯大林终于同意对苏军战略进行根本性调整，允许苏军放弃阵地，以便为胜利争取时间。