Общей координацией занимался маршал А.М. Василевский. 5 августа войска двух этих фронтов с боями освободили Белгород. В тот же день войска Брянского фронта при поддержке с флангов Центрального и Восточного фронтов освободили город Орёл. Из довоенного населения Белгорода в 34 тысячи человек в городе осталось лишь 150 жителей. За время оккупации Орла, которая длилась 22 месяца были замучены и убиты 11 тысяч мирных жителей, около 20 тысяч были вывезены на работы в Германию. На территории города функционировала немецкая концентрационная тюрьма. В честь освобождения обоих городов в Москве из 120 орудий был организован первый победный салют.
Это была заключительная операция Курской битвы. Немцы вынуждены были оттянуть часть своей белгородско-харьковской группировки на Донбасс и на северную часть Курской дуги, где параллельно успешно шла операция «Кутузов». Оборонительная линия Харькова была разрушена 13 августа, советские войска прорвали её в направлении Люботин-Коротич-Тарановка, и зажали противника в Харькове в плотное полукольцо. 17 августа начались бои на окраине города. Немцы несли большие потери, но крепко держали оборону. На следующий день советская армия начала бои за лесную территорию Харькова. С наступлением темноты 18 августа РККА нанесла решающий удар, а на следующий день выбила немцев из лесополосы.
В это время противник наносил контрудары в районе Ахтырки, в 100 километрах от Харькова. У немцев было 16 тысяч солдат, около 400 танков, более 250 различных орудий. Советские войска готовились сдержать удар и ввели два дополнительных танковых корпуса, которые атаковали гитлеровцев в тыл и во фланг. Немцев громили под Ахтыркой с 21 по 25 августа. Противнику нельзя было позволить этой части Вермахта реализовать дерзкий план по выходу к Харькову, советские войска вели шквальный огонь из пулемётов и артиллерии.
Поскольку Харьков имел развитую сеть шоссейных дорог и аэродромов, было принято решение проводить операцию по сокрушению, а не по окружению врага, дать ему покинуть город и добивать «в чистом поле». В ходе боёв этой операции применялась тактика рассеивания противника по направлениям.
В 2 часа ночи с 22 на 23 августа начался штурм Харькова войсками Степного фронта при активной содействии Воронежского фронта. В атаку пошли подразделения 7-ой гвардейской, 53-й и 69-й армий. Через два с половиной часа бойцы советской армии заняли Площадь Дзержинского, а к рассвету город был практически очищен от немцев, а 23 августа в Москве прогремел салют освободителям Харькова. Чтобы зачистить город от остававшихся немецких «недобитков», понадобилась ещё неделя, и полное освобождение Харькова пришло 30 августа. В этот день на митинге в центре города прозвучали знаменитые слова Хрущёва: «Вперёд на Запад! Вперёд, за Украину!».
Наши сапёры обнаружили в зданиях Украинского физико-технического института огромные залежи взрывчатки. Немцы планировали взорвать высоковольтный корпус, в котором располагались научные лаборатории, известные своими экспериментами по расщеплению атомного ядра, и нанести и без того разрушенному городу ещё больший ущерб.
В ходе операции была разгромлена белгородско-харьковская группировка противника (15 дивизий). В результате были созданы условия для освобождения Левобережной Украины. Советские войска продвинулись в южном и юго-западном направлениях до 300 км. Стратегическая инициатива по всему фронту перешла к Красной Армии. В операции получен опыт отражения контрударов противника, нанесения главных ударов фронтами по сильным участкам вражеской обороны, достижения высоких плотностей огня на участках прорыва (до 230 орудий и минометов и 70 танков и самоходных артиллерийских установок на 1 километр фронта).