
Au départ de cette nouvelle offensive, les Allemands disposent d'un très large avantage numérique. Le groupe d'armée centre, et la 16e armée qui l'appuie au nord, ont un premier échelon de 28 divisions, dont 9 de panzer et 6 motorisées, derrière lequel arrivent 34 autres divisions et 2 brigades, libérées par la reddition des Soviétiques autour de Minsk. Face à eux, les soviétiques, alignent du nord au sud, les 22e, 19e, 20e, 13e et 21e armées, qui peuvent être appuyées par la 4e en cours de rassemblement derrière la 13e, et la 16e qui vient de se positionner à Smolensk. Le rapport de force en faveur des Allemands est de 1,6 en hommes, 1,8 en artillerie et 4 en aviation, seul le domaine des blindés avantage les Soviétiques, avec un rapport de 1,3.
Le but des Allemands est de préparer un futur mouvement en direction de Moscou et, pour cela, ils doivent s'emparer du pont de terre entre la Divna et le Dniepr, en détruisant le plus possible d'unités soviétiques. Le Panzergruppe de Guderian va fournir l'effort principal, en traversant le Dniepr, au sud d'Orcha, endroit où le cours du fleuve s'infléchit vers l'est, et le longer pour atteindre Smolensk et Ielnia. Ses deux Panzerkorps traversent de part et d'autre de Moguilev, où sont encerclés le 61e corps de fusiliers et le 20e mécanisé. Ces derniers résisteront quinze jours, face aux 24e et 47e Panzerkorps, avant de capituler. Derrière eux, les 20e et 45e corps de fusiliers sont aussi enveloppés, plus à l'est, mais avec l'appui des 4e et 21e armées, une partie de leurs éléments peut s'échapper derrière la Soj.
De l'autre côté du cours d'eau, Hoth va envelopper les 19e et 20e armées par le nord et les adosser à la rivière. Devant la défense encore très mal préparée des Soviétiques, ce mouvement s'effectue rapidement, Au nord, le 3e Panzergruppe avance de 150 kilomètres, prenant entre autres Polotsk, Nevel et Doukhovchtchina, bousculant la 19e armée, qui se replie à l'est de Smolensk. Pendant ce temps, plus au nord, les 16e et 9e armées allemandes ont enveloppé la 22e armée soviétique, mais les unités de celle-ci s'infiltrent et réussissent à se dégager, se rétablissant en défense sur la rivière Lovat.
Pendant ce temps, le 47e Panzerkorps exploite sa percée et, le 14 juillet, ses éléments de tête sont devant Smolensk. La ville est défendue par l'une des deux divisions de la 16e armée du général Loukine, une unité d'élite, la 152e division de fusiliers, originaire du district du Transbaïkal. Timochenko s'attend à une résistance prolongée mais, en deux jours, les fantassins de la 29e Infanterie Division (mot.), appuyés par la 17e Panzerdivision, vont la repousser hors de la ville. La chute de l'agglomération est un revers sérieux pour les Soviétiques, elle ouvre la route de Moscou et laisse la 20e armée, presque encerclée au nord de la ville.
Réaction soviétique .
Dès le 13 juillet, l'Armée rouge lance la contre-attaque, la 21e armée franchissant le Dniepr au sud de Rogatchev, pour essayer d'envelopper le 2e Panzergrupe, par son flanc sud. L'attaque est assez génante pour les Allemands, et Guderian, repris par Paul Carell, estimera les forces attaquantes à un total de vingt divisions. En réalité, il semble que seuls deux corps de fusiliers y aient participé, le 63e, avançant de douze kilomètres et s'emparant de Rogachev, avant d'être bloqué par le 53e Armeekorps, à son sud, le 67e corps voyant une de ses divisions, la 232e, parvenir sur la Bérézina, à quatre-vingt kilomètres de ses positions initiales.
En face de Smolensk, la Stavka a commencé la création d'un nouveau front de réserve, composé de six armées nouvelles, les 24e, 28e, 29e, 30e, 31e et 32e, regroupant environ 35 divisions. Le 20 juillet, Staline donne l'ordre à Timochenko d'utiliser cette réserve pour contre-attaquer massivement. Devant l'urgence, ces unités, en cours d'organisation, sont jetées dans la bataille, sans attendre. Elles forment cinq groupes de choc et vont alors attaquer, de façon convergente, jusqu'au 25 juillet, le cercle qui emprisonne les 16e et 20e armées. Dans Smolensk même, la 16e armée parvient à reprendre du terrain, en particulier dans les faubourgs nord. Cette stratégie, bien que très coûteuse, va néanmoins porter ses fruits, l'offensive allemande piétine. Hoth lance alors ses 7e et 20e panzerdivision, et parachève l'encerclement des 16e et 20e armées, soit une dizaine de divisions. Cependant, l'intervention du détachement d'armée, commandé par Rokossovski, qui emploie des chars lourd KV1, permet de rouvrir un corridor et une partie des troupes piégées parvient à s'échapper. La fin du mois de juillet voit un certain équilibre s'instaurer, aucune des deux armées n'arrivant plus à avancer.
Hésitations allemandes .
Pendant que les troupes allemandes combattent autour de Smolensk, l'indécision régne au sein des états-majors. La bataille en cours a démontré la faillite du plan initial, l'opération Barbarossa, dans lequel les armées soviétiques auraient dû être détruites à l'ouest du Dniepr. Les faits montrent que c'est loin d'être le cas, les Allemands ont surtout sous-estimé la capacité de récupération de l'armée rouge, qui crée de nouvelles unités à un rythme bien plus élevé que prévu. Barbarossa n'ayant pas prévu la suite des opérations, après la bataille sur les frontières, à part une vague limite d'arrêt de la progression sur la Volga, la Wehrmacht se retrouve donc sans plan défini, à ce moment précis, et hésite sur la conduite à tenir. Ses unités, au combat depuis six semaines consécutives, ont besoin d'une pause avant d'attaquer à nouveau vers Moscou. Les blindés, en particulier, ont souffert sur les routes non goudronnées de la Biélorussie ; de nombreux chars ont besoin d'être réparés, l'infanterie, elle, a du mal à suivre et doit être regroupée. Un autre problème, qui empêche la poursuite vers l'est, est la position dangereusement avancée du groupe d'armées Centre, en particulier vis à vis du groupe d'armées Sud, qui est encore bloqué derrière Kiev, ce qui l'expose à une attaque sur son flanc sud.
Le 23 juillet, la directive n° 33 d'Hitler va remettre en question, totalement, les objectifs poursuivis à l'Est. Hitler y décide d'utiliser les deux panzergruppe du groupe d'armée centre, en appui des deux autres groupes d'armées, pour faciliter la capture de Léningrad, au nord, et de Kiev, au sud. Les contre-attaques soviétiques vont vite rendre caduque cette directive, surtout pour le Panzergruppe 3 de Hoth, qui doit intervenir pour empêcher la reprise de Smolensk par les Soviétiques, à partir du 27 juillet. Par contre, l'idée d'une attaque de Guderian vers le sud est maintenue. L'attaque du Panzergruppe 2, renommé pour l'occasion Armeegruppe Guderian, est lancée le 1er août, en direction de Roslavl. La 28e armée soviétique est rapidement repoussée, et quatre de ses divisions sont encerclées au nord de la ville, qui est capturée le 8 août. La 43e armée soviétique intervient alors et arrive à enrayer la progression allemande, au prix de lourdes pertes. Pendant ce temps, la 2e armée de Von Weichs attaque vers Gomel, plus à l'ouest, passant le Dniepr le 12 août, plus au sud, à Jlobin, face aux 13e et 50e armées soviétiques. Face à la poussée allemande, la défense soviétique se désagrège et les deux armées se replient vers Briansk, où elles sont réorganisées, le 14 août, au sein d'un nouveau front, celui de Briansk, confié au général Andrey Yeremenko.
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