12 июля в наступление перешли войска Воронежского фронта с целью очистить от противника восточный берег р. Дон, прочно закрепиться на реке, обеспечив за собой переправы. Однако, встретив упорное сопротивление противника, они сумели занять только небольшой район в северной части Воронежа. Не добились успеха и войска Брянского фронта, пытавшиеся разгромить противника, прорвавшегося на восточный берег р. Олым, а затем продвигаться на Волово.

15 июля Ставка ВГК своей директивой № 170511 приказала вывести 5-ю танковую армию во фронтовой тыл и «как армию ликвидировать». Командующему Брянским фронтом были подчинены 2, 7 и 11-й танковые корпуса, входившие в состав армии, а ее командующий генерал-майор А.И. Лизюков назначен командиром 2-го танкового корпуса. Штаб армии требовалось вывести в тыл Брянского фронта с передачей его в резерв Ставки.

Воронежско-Ворошиловградская оборонительная операция из-за просчетов Ставки ВГК в определении направления главного удара противника и нерешительных действий командующих фронтами и армиями завершилась поражением войск левого крыла Брянского и правого крыла Юго-Западного фронтов. Ударные группировки врага прорвали их оборону на фронте более 250 км и на глубину 150–170 км, вышли на Дон в районе Воронежа и южнее, глубоко охватив правое крыло Юго-Западного фронта. Потери советских войск составили: безвозвратные – почти 371 тыс., санитарные – 197,8 тыс. человек.

Генерал армии М.И. Казаков, возглавлявший в то время штаб Брянского фронта, вспоминал: «Первый опыт боевого применения танковой армии оказался неудачным. Начались разговоры о непригодности такого оперативного объединения вообще. Истинные же причины неудачи, на мой взгляд, были в другом: в неумении. Это умение пришло позднее. Руководство действиями 5-й танковой армии осуществлял непосредственно Генеральный штаб, и формально мы не несли ответственности за ее неудачи. Но справедливости ради не могу не заметить здесь, что, если бы командованию и штабу Брянского фронта была отведена в данном случае иная роль, если бы нас тоже привлекли к руководству контрударом, ход событий от этого вряд ли изменился. Судьба Воронежа была предрешена еще 3–4 июля, когда передовые части 48-го немецкого танкового корпуса вышли к реке Дон и без особых затруднений форсировали ее. После же упорных боев 5–7 июля немецкая 4-я танковая армия фактически овладела городом. В наших руках остались лишь городские предместья Отрожка и Придача, расположенные на восточном берегу реки Воронеж, а также студенческий городок на северной окраине города».

Был ли виновен генерал А.И. Лизюков в том, что 5-я танковая армия не справилась с поставленной задачей? Ответим однозначно: нет. Да, он допустил ошибки при организации контрудара, взаимодействия и управления, но к тому времени ни Лизюков, ни кто-либо другой в Красной Армии не имел опыта командования танковыми объединениями. Маршал Советского Союза К.К. Рокоссовский отмечал: «Он был хорошим командиром танковой бригады, мог бы быть неплохим командиром корпуса. Но танковая армия ему была не по плечу. Соединение новое, наспех сформированное, к тому же у нас еще и опыта не было применения такой массы танков. Армия впервые участвовала в бою, да еще в столь сложной обстановке, и, конечно, все это не могло не отразиться на ее действиях. Было от чего впасть в отчаяние командарму».