Горящий Воронеж, снятый с немецкого самолета, июль 1942 г.
В ночь на 3 июля соединения 5-й танковой армии заканчивали сосредоточение к югу от Ельца. В ночь на 4 июля ее командующий А.И.Лизюков получил из Москвы директиву, обязывающую «ударом в общем направлении Землянск, Хохол (35 км юго-западнее Воронежа) перехватить коммуникации танковой группировки противника, прорвавшейся к реке Дон на Воронеж; действиями по тылам этой группы сорвать ее переправу через Дон».
Как это обычно происходит при спешно организуемых контрударах, армия А.И.Лизюкова вступила в бой по частям. Первым 6 июля пошел в бой 7-й танковый корпус, потом 11-й танковый корпус (8 июля) и, наконец, 2-й танковый корпус (10 июля). Корпуса вступали в бой, не имея возможности провести разведку, полностью сосредоточиться. Находившаяся в полосе наступления армии А.И.Лизюкова река Сухая Верейка не оправдала своего названия и встретила наступающие танки заболоченной поймой.
Однако следует заметить, что контрудар 5-й танковой армии строился на изначально неверном предположении о том, что наступающие немецкие танковые корпуса будут далее двигаться через Дон и Воронеж на восток. Такой задачи у них не было. Соответственно вместо характерного для наступления растягивающего фланги движения вперед они остановились перед Доном на плацдарме у Воронежа и заняли оборону. Более сотни вооруженных 60-калиберными 50-мм орудиями танков 11-й танковой дивизии были серьезным противником для наступающих советских танковых бригад и танковых корпусов.
Что армия А.И.Лизюкова могла в этой ситуации сделать, это максимально задержать смену танковых соединений на пехотные. Такая задача ею была выполнена. 10 июля Гальдер делает в своем дневнике следующую запись: «Северный участок фронта Вейхса снова под ударами противника. Смена 9-й и 11-й танковых дивизий затруднена». В целях освобождения 4-й танковой армии немецкое командование вынуждено было направить к Воронежу XXIX армейский корпус 6-й армии, ослабив наступательные возможности армии Ф.Паулюса против войск Юго-Западного фронта. Смена постоянно атакуемых дивизий действительно проходила с большими сложностями. В частности, 11-я танковая дивизия сменялась на ранее не бывавшую в боях 340-ю пехотную дивизию, дитя немецкой «перманентной мобилизации». Сражение под Воронежем завершилось, оставив поля, заставленные дымящимися остовами танков. Уходящие на Сталинград танковые соединения немцев одарили своеобразным «поцелуем смерти» советские танковые войска, как бы намекая, что летняя кампания не обещает быть легкой. Бои под Воронежем перешли в позиционную фазу. 15 июля директивой Ставки ВГК 5-я танковая армия расформировывается, а А.И.Лизюкова согласно той же директиве предлагалось «назначить командиром одного из танковых корпусов». 25 июля 1942 года командующий 5-й танковой армией А.И.Лизюков сам сел в танк КВ и повел подразделение в атаку, намереваясь пробить брешь в обороне противника у села Сухая Верейка и вывести из окружения часть, принадлежащую его армии. КВ А.И.Лизюкова был подбит, и командующий одной из первых советских танковых армий погиб.