28 июня 1942 года группа армий "Вейхс" из района северо-восточнее Курска перешла в наступление в направлении Воронежа и прорвала оборону войск Брянского фронта. Брянский фронт получил в качестве подкрепления 3 танковых корпуса, истребители и штурмовые самолеты. Ставка главного командования приказала войскам фронта контратакой остановить наступление противника. Однако из-за дальнейших событий контратака не была нанесена.
30 июня 1942 года 6-я армия вермахта перешла в наступление в полосе Юго-Западного фронта со стороны Волчанской области и прорвала его оборону.
К исходу 2 июля 1942 г. немецкие войска, продвинувшись в полосе Брянского фронта на глубину 60-80 км и в полосе Юго-Западного фронта до 80 км, окружили часть 40-й и 21-й армий западнее г. Старый Оскол. 60-я, 6-я и 63-я армии были срочно отправлены на Воронежское направление из резерва Ставки Верховного Главнокомандования. При этом 5-я танковая армия, усиленная 7-м танковым корпусом, и 1-я истребительная авиационная армия резерва Ставки Верховного Главнокомандования были сосредоточены в районе Ельца для контратаки заклинившего противника.
6 июля 1942 года войска вермахта форсировали Дон и захватили большую часть Воронежа. В связи с контрударом 5-й танковой армии из района южнее Ельца по левому флангу группы армий Вейхса немецкое командование было вынуждено вывести из наступающей группы 24-й танковый корпус, три пехотные дивизии и 4-ю танковую армию по Дону.
7 июля 1942 года, чтобы не допустить окружения советских войск южнее Воронежа, они были выведены на новые рубежи. При этом в целях организации более эффективного руководства войсками Брянский фронт был разделен на собственно Брянский фронт, которым руководил генерал-лейтенант Н. Чибисова и Воронежского, командиром которых был генерал-лейтенант Ф.И.Голиков. Перед Брянским фронтом стояла задача удерживать рубеж и своими наступательными действиями прерывать коммуникации войск противника, сражавшихся на Дону в районе Воронежа. Перед Воронежским фронтом стояла задача очистить восточный берег Дона от противника и закрепиться на нем.
К 7 июля глубина прорыва немецких войск в районе Юго-Западного фронта достигла 300 километров. Противник с севера глубоко захватил войска фронта, что создало опасность их окружения. Однако советским войскам удалось отойти. План немецкого командования по окружению обороняющихся войск Южного фронта в Донбассе также провалился. Войска Южного фронта были выведены за Дон и к исходу 25 июля закрепились в его нижних частях на левом берегу.
Результаты операции
В ходе операции «Воронеж-Ворошиловград» советским войскам пришлось отойти от 150 до 400 километров на южном фланге советско-германского фронта. Противнику удалось перейти в наступление в большой излучине Дона, создав прямую угрозу Сталинграду и Кавказу. Это крайне негативно сказалось на дальнейшем ходе летней кампании 1942 года. В то же время советским войскам удалось помешать немцам осуществить свои планы по уничтожению большого количества живой силы, материально-технической базы Красной Армии, а немцы потеряли примерно в 28,5 раз меньше потерь.
Войска Брянского, Юго-Западного и Южного фронтов, не успев получить подкрепление и укрепиться в обороне, были вынуждены отражать удары превосходящих сил противника. Не сумев удержать обороняемые позиции, они с большими потерями отошли в Воронежскую область и на восточный берег Дона. Введенные в бой войска резерва Ставки и проведенная ими контратака позволили избежать разгрома и окружения соединения советских войск, но не изменили общего развития обстановки. У врага были условия для дальнейшего наступления на Ростов и Сталинград.