К этому времени на Днепр и Западную Двину вышли соединения 4-й танковой армии, а на участок от Идрицы до Дриссы – пехотные дивизии 16-й немецкой армии из группы армий «Север». Свыше 30 пехотных дивизий 9-й и 2-й армий немецкой группы армий «Центр», задержанные боями в Белоруссии, отстали от подвижных войск на 120–150 км. Тем не менее наступление на смоленском направлении противник начал, имея 2—4-кратное превосходство над войсками Западного фронта в живой силе и технике.
Наступление немецких войск на на правом крыле и в центре Западного фронта началось 10 июля 1941 года. Ударная группировка в составе 13 пехотных, 9 танковых и 7 моторизованных дивизий прорвала советскую оборону. Подвижные соединения противника продвинулись до 200 км, окружили Могилев, захватили Оршу, часть Смоленска, Ельню, Кричев. 16-я и 20-я армии Западного фронта оказались в оперативном окружении в районе Смоленска.
С 21 июля войска Западного фронта, получив подкрепление, предприняли контрнаступление в направлении на Смоленск, а в полосе 21-й армии группа из 3 кавалерийских дивизий совершила рейд во фланг и тыл главных сил группы армий «Центр». Со стороны противника в борьбу вступили подошедшие пехотные дивизии 9-й и 2-й немецких армий. 24 июля 13-я и 21-я армии были объединены в Центральный фронт (командующий – генерал-полковник Ф. И. Кузнецов). Разгромить смоленскую группировку противника не удалось, однако в итоге напряженных боев советские войска сорвали наступление немецких танковых групп, помогли 20-й и 16-й армиям выйти из окружения за р. Днепр и вынудили группу армий «Центр» 30 июля перейти к обороне. Тогда же Советское Верховное Командование объединило все войска резерва и Можайской линии обороны (всего 39 дивизий) в Резервный фронт под командованием генерала армии Г.К. Жукова.
8 августа немецкие войска возобновили наступление, на этот раз южнее – в полосе Центрального, а затем Брянского фронта (создан 16 августа, командующий – генерал-лейтенант А.И. Еременко), с тем чтобы обезопасить свой фланг от угрозы советских войск с юга. К 21 августа противнику удалось продвинуться на 120–140 км и вклиниться между Центральным и Брянским фронтами. Ввиду угрозы окружения 19 августа Ставка разрешила отвод войск Центрального и действовавших южнее войск Юго-Западного фронтов за Днепр. Армии Центрального фронта были переданы Брянскому фронту. 17 августа перешли в наступление войска Западного фронта и две армии Резервного фронта, которые нанесли духовщинской и ельнинской группировкам противника заметные потери.
Войска Брянского фронта продолжали отражать наступление 2-й немецкой танковой группы и 2-й немецкой армии. Массированный удар авиации (до 460 самолетов) по 2-й танковой группе противника не смог остановить ее продвижение на юг. На правом крыле Западного фронта противник нанес сильный танковый удар по 22-й армии и 29 августа захватил Торопец. 22-я и 29-я армии отошли на восточный берег Западной Двины. 1 сентября предприняли наступление 30-я, 19-я, 16-я и 20-я армии, но значительного успеха не достигли. К 8 сентября был завершен разгром группировки противника и ликвидирован опасный выступ фронта в районе Ельни. 10 сентября войска Западного, Резервного и Брянского фронтов перешли к обороне на рубежах по рекам Субость, Десна, Западная Двина.
Несмотря на значительные потери, понесенные в ходе Смоленского сражения, советской армии удалось вынудить немецкие войска впервые в ходе Второй мировой войны перейти к обороне на главном направлении. Смоленское сражение стало важным этапом срыва германского плана молниеносной войны против Советского Союза. Советская армия выиграла время для подготовки обороны столицы СССР и последующих побед в сражениях под Москвой.
