Оценив последствия прорыва немецкого фронта в направлении Воронежа, Верховное Главнокомандование угадало стратегический план немецкого командования и приказало 6 июля отвести войска с Южного фронта на линии Денежниково - Трехизбенка - Красный Луч. В ночь на 7 июля войска с фронта начали организованный отход. 8 июля немецкие войска начали преследование войск Южного фронта силами 6-й и 1-й танковых армий, развернулись ожесточенные бои, но вермахту не удалось прорвать оборону Южного фронта.
Однако севернее, на Юго-Западном фронте, немецкая атака с применением массы танков была успешной. Атаковав сильно ослабленные войска 28-й и 21-й армий, которые не смогли создать значительной защиты после поражения в конце июня - начале июля, конце 11 июля, 6-й лагерь и 4-я танковая армии прорвали фронт, создавал угрозу тылу Южного фронта. Штаб Юго-Западного фронта потерял командование войсками. В последующие дни 4-я танковая армия прибыла в Морозовск (15 июля), а 16 июля - в Миллерово. Воспользовавшись сложным положением, наступившая с запада 1-я немецкая танковая армия, наконец, сумела прорвать оборону 37-й советской армии и 18 июля вторглась в Каменск-Шахтинский.
Таким образом, угроза нависла над Южным фронтом, хотя их войска были выведены в довольно организованно и упорно отстаивали на новой линии. Дальнейшее продвижение немецких войск на юг привело к реальной опасности окружения советских войск в Донбассе, прорыва немцев к Сталинграду и на Северный Кавказ. Уже 10 июля И. В. Сталин приказал войскам Северо-Кавказского фронта срочно оборонять левый берег Дона и перекрыть путь на Кавказ. Также 11 июля он приказал максимально ускорить строительство оборонительных сооружений в районе Сталинграда и занять его войсками 62-й армии и начать строительство оборонительных рубежей в тылу Южного и Юго-Западного фронтов. Поскольку основные направления ударов противника были четко обозначены, Юго-Западный фронт был преобразован в Сталинградский фронт, усиленный тремя резервными армиями и получивший задачу защищать подступы к Сталинграду, а 12 июля 28-й фронт был переведен из Юго-Западный фронт, 37-я, 57-я и 9-я армии.
Первоначально южному фронту было поручено создать устойчивую оборону в районе Миллерово, но с учетом глубокого проникновения противника уже 15 июля фронту было приказано отвести свои войска за Дон и создать оборону на его юге побережье Верхне-Курмоярской и далее по линии обнесенного стеной района Ростова.
Между тем на передовой продолжались ожесточенные бои. Обороны 28-й и 57-й армий был отрезан противником. Войска этих армий сражались с исключительным упорством и избегали окружения, но одна часть отступила на восток, а другая - на юг. В районе Миллерово их окружили 38-я и 9-я армии. Их основные силы не смогли прорваться на юг, чтобы присоединиться к основным силам на южном фронте, и были вынуждены прорвать окружение на востоке.
Таким образом, с 18 по 20 июля был разгромлен северный фланг Южного фронта. Попытка восстановить его за счет контратаки фронта резерва 24-й армии у Миллерово с юга провалилась: основные силы армии на подходе к Миллерово были атакованы главными силами 1-й немецкой танковой армии и понесли серьезные. убытки. В результате немецкие войска вышли в оперативное пространство.
Они использовали эту ситуацию: по приказу Гитлера 4-я танковая армия была повернута со сталинградского направления на ростовское и стремительно двинулась в сторону Ростова-на-Дону. 21 июля эта армия ворвалась в город Шахты, 22 июля - в Новочеркасск, 23 июля - в Ростов-на-Дону. 24 июля противник полностью овладел Ростовом, по данным Генштаба Красной Армии, до 27 июля отдельные части продолжали вести уличные бои в Ростове.
Советская 56-я армия не смогла оказать должного сопротивления в районе Ростовского укрепрайона и обеспечить отход войск Южного фронта через Дон. Хотя советские войска смогли воспользоваться отсутствием сплошного фронта окружения, и основные силы Южного фронта в итоге сумели с боями выйти на южный берег Дона и занять там оборону, но это было достигнуто с большими потерями. Более того, немецким войскам удалось с ходу форсировать Дон и захватить ряд плацдармов на его южном берегу.
В ходе операции немецким войскам не удалось разгромить и уничтожить войска Южного и левого фланга Юго-Западного фронтов. Но они нанесли здесь Красной Армии тяжёлое поражение, сыгравшее исключительно важную роль в дальнейшем:
- противник полностью овладел стратегической инициативой на всем южном крыле советско-германского фронта,
- была создана непосредственная угроза району Сталинграда (немецкое наступление на Сталинград развернулось ещё в ходе операции, 12 июля) и Северному Кавказу.
- войска Южного и Юго-Западного фронтов понесли тяжелые потери, что значительно ослабило их боеспособность и обусловило дальнейшие успехи врага
- противник полностью овладел важнейшим экономическим районом — Донбассом, что резко ухудшило экономическое положение СССР
- оказалась исчерпана основная масса подготовленных за первую половину 1942 года советских стратегических резервов (на южном направлении в июле были брошены в бой сразу 6 резервных армий), из-за чего стало нечем парировать и отражать последующие удары немецких войск.