В три часа утра 10 июля части 220-й моторизованной дивизии под командованием генерал-майора Н.Г. Хоруженко перешли в наступление. Противник оказывал упорное сопротивление. Наибольший успех в центре имели два батальона 653-го мотострелкового полка подполковника А.И. Шидловского, которые на подручных средствах переправились через Западную Двину и разгромили штаб соединения противника. Вскоре с юга к излучине реки подошел полк 229-й стрелковой дивизии, прикрывший левый фланг 220-й моторизованной дивизии. Во второй половине дня положение коренным образом изменилось. Авиация противника активизировала свою деятельность, а его части предприняли несколько контратак, вынудив полк Шидловского начать отход к реке. Остальные части дивизии успеха не имели. В ходе боевых действий погиб командир 137-го танкового полка подполковник Смирнов. Командир 673-го мотострелкового полка подполковник И.Ф. Савинов за невыполнение задачи по захвату аэродрома был снят с должности. Полк возглавил заместитель командира дивизии подполковник Я.Н. Вронский.

Под давлением численно превосходящего противника полк 229-й стрелковой дивизии в ночь с 10 на 11 июля отошел от излучины Западной Двины на 1–1,5 км. В результате он поставил под угрозу левый фланг 220-й моторизованной дивизии, командир которой вынужден был отвести один из полков с западного берега на восточный. Одновременно назревала угроза и правому флангу этой дивизии со стороны Улановичей.

Генерал-лейтенант Конев, стремясь предотвратить эту угрозу, приказал командиру 162-й стрелковой дивизии атаковать и овладеть Улановичами, а также отбросить противника на западный берег р. Западная Двина. Эту задачу успешно выполнил единственный полк дивизии — 501-й стрелковый полк, перешедший в наступление в три часа утра 11 июля без поддержки артиллерии. Однако затем он подвергся удару вражеской авиации и вынужден был начать отход на северо-восток.

Командующий 19-й армией, ввиду неудачного исхода наступления, в 12 часов 30 минут 11 июля приказал своим войскам занять и упорно оборонять рубеж Городок, озеро Лосвида, Слобода, станция Княжеца и далее вдоль рек Западная Двина и Лучеса. Одновременно от 25-го стрелкового корпуса требовалось, подчинив себе 186-ю стрелковую дивизию, перейти в шесть часов вечера в наступление на Витебск, чтобы совместно с 7-м механизированным ликвидировать витебскую группировку противника. 34-му стрелковому корпусу приказывалось оборонять полосу Витебск, Заречье, Бабиновичи, Вороны, Добромысль, обратив особое внимание на организацию противотанковой обороны в направлении южнее Витебск. В своем резерве командарм-19 оставил 129,38 и 50-ю стрелковые дивизии и 23-й механизированный корпус (без 220-й моторизованной дивизии).

Командующий 3-й танковой группой генерал-полковник Г. Гот продолжал наращивать свои усилия. В семь часов вечера 11 июля из Витебска по шоссе на Велиж начали выдвижение колонны моторизованных и танковых частей противника, под напором которых 501-й стрелковый полк продолжил отход. Часть сил 134-й стрелковой дивизии, находившиеся на южном берегу Западной Двины, были рассеяны противником, а два ее батальона, располагавшиеся на северном берегу, вели бои совместно с частями 22-й армии. Управления 162-й и 134-й стрелковых дивизий, также находившиеся на северном берегу, сумели кружными путями выйти в район Вязьмы. Противнику удалось также рассеять штаб 25-го стрелкового корпуса. Один из его полков (720-й стрелковый) вел боевые действия в районе Колышки, другой (515-й стрелковый) — под Яновичами, а два батальона 162-й стрелковой дивизии — под Демидовым.

12 июля Маршал Советского Союза Тимошенко получил директиву № 00290 Ставки Верховного Командования (ВК), которая требовала немедленно организовать мощный и согласованный контрудар имеющимися свободными силами из районов Смоленска, Рудни, Орши, Полоцка и Невеля с целью ликвидации прорыва противника у Витебска.