苏军的反击与突围
7月20日，为解除斯摩棱斯克地域苏军被合围的危险，远在莫斯科的斯大林命令苏军西方面军司令铁木辛哥，务必于近几日内向德军发起强大反击。为此，苏军统帅部便将后备方面军和大本营预备队的17个师(后略有变化)转隶西方面军，以5个集团军为基础编成5个战役集群(即第29集团军集群、第30集团军集群、第24集团军集群及第28集团军集群。在集群内每个步兵师都补充了一个拥有21辆坦克的独立坦克营，每个集群都配属了大量炮兵。另一个骑兵集群用于南翼)。7月23日至25日，在空军轰炸机师或攻击机师的支援下，苏军西方面军以这4个集团军级战役集群，分别从别雷、亚尔采沃和罗斯拉夫利地域向斯摩棱斯克地域实施向心突击，企图与被困在斯摩棱斯克地域的苏军集团里应外合，一举歼灭斯摩棱斯克南北的德军突击就集团。
反击发起后，同仇敌忾的苏军战士们端着刺刀、挥舞着马刀，高喊着“为了祖国、为了斯大林”的口号向德军阵地冲去。德军被苏军这种一往无前、大无畏的精神所震慑，惊惶失措地进行抵抗。在苏军浪潮般地攻势下，德军纷纷撤出占领的阵地。与此同时，被困在斯摩棱斯克地域的苏军也开始发动反攻，受到内外夹击的德军一时被打得焦头烂额、疲于应付。然而，虽然苏军的反击声势浩大，对德军造成不小的压力，但其兵力却还没有强大到扭转战局的地步，加上时间仓促，准备不足，通信工具缺乏，各战役集群投入战斗的时间前后不一，协同失调，结果苏军无功而返。
在北面突击的第29集团军集群、第30集团军集群进展甚微，在德军顽强阻击下，这两个集群损失惨重，几天后便停止了进攻。在南部反击的两个集群，第24集团军集群，在古德里安部队的阻击下也进展不太第28集团军集群则给德军造成极大的恐慌，该集群在罗斯拉夫利以北地域发起连续进攻，一举突入德军防御体系，德国第9军“大德意志团”阵地一度有被突贯的危险。然而，德军增加兵力后，牢牢地守住苏军突破口的两端，使之无法扩大，然后以大炮和空军猛烈轰击浚集群的后方供应线，至25日，该集群被迫停止进攻。
期间，罗科索夫斯基将军配合4个集群进行了卓有成效的反击。得到加强(主要是撤出斯摩棱斯克地域的第20集团军第7机械化军)的罗科索夫斯基将军面对霍特第7、第12装甲师疯狂的进攻，以40辆轻型坦克为主力给予了迎头痛击。在这场硬碰硬的对决中，罗科索夫斯基将军不但打退了德军第7、第12装甲师的进攻，而且一举从德军第7装甲师手中虎口拔牙，夺回了重要的交通枢纽亚尔采沃(一度被德军占领)。然而，罗科索夫斯基将军这一行动只是暂时缓解了局势，在大局上根本无法扭转颓势。
而此时德军势头却正盛。德军正按计划一步步逼近目标。25日，在斯摩棱斯克正西面，德军第5和第8步兵军在第18装甲师的支援下，从正面压缩苏军第20集团军的防御空间，迫使其缓缓向东退却；在斯靡棱斯克南面，古德里安的第2装甲集群以第29摩托化师、第17装甲师和党卫军“帝国”师再一次向斯摩棱斯克发起强攻；在斯摩棱斯克北面，霍特的第7装甲师和第20摩托化师也重新组织向南进攻，企图击破罗科索夫斯基的拦截后，与古德里安会师。这样，斯摩棱斯克地域苏军有再次陷入合围的危险。
在此后几天内，德军南北两翼的攻势越来越凌厉。至30日，德军铁钳的两臂终于在斯摩棱斯克后方合拢了，德军第20摩托化师和第17装甲师成功地会师，从而将苏第20和第16集团军封闭在斯摩棱斯克的口袋之中。同日，德军第7装甲师和第12装甲师，又对罗科索夫斯基发动一次强攻，企图击退罗科索夫斯基，建立起包围圈坚固的对外正而，使罗科素夫斯基难以解救被围苏军。罗科索夫斯基以他新得到的10辆KV坦克和几个炮兵营及加强的步兵发动了一次凌厉的反击，将第7装甲师打回了原进攻出发地，并像一颗钉子一样牢牢地楔入德军防御阵地内。
这一日，苏联最高统帅部终于下达了放弃斯摩棱斯克的命令，要求被围的第20、第16集团军向东突围，并授命卢金全权指挥这场突围战。31日，苏军第20、第16集团军开始突围，卢金从里往外打，罗科索夫斯基从外往里打，经过一天的浴血奋战，奇迹终于发生了一一在两厢夹击下，硬是在德军严实的包围圈中撕开一个缺口，并建立了一条狭窄的“逃生走廊”。从7月31日到8月3日，德军所有企图关闭这条走廊的努力都失败了，苏军第20、第16集团军在逃生过程中，虽然沿途遭到德国炮兵和空军的无情轰炸，但其大部兵力还是通过这条走廊同到了己方的防线。正是由于卢会和罗科索夫斯基的艰苦努力，从而创造了自苏德开战以来，被围苏军主力成功突围的先例。直到8月5日，德军才将包围圈内的苏军残部肃清。至此，德军共俘苏军31万人，缴获3 000多辆坦克和数量大致相同的火
两翼方向上的鏖战
战役打响后，为了保证对斯摩棱斯克地域苏军的围歼，保证古德里安第2装甲集群、霍特第3装甲集群南北两翼的安全，德军中央集团军群在南北两翼还实施了牵制性的进攻。
在战线南翼，7月9日，德军古德里安第2装甲集群及第2集团军突破了苏军第13集团军的防御，双方经过几天鏖战，德军向纵深进展迅速，苏第13集团军有被合围的危险。13日，在苏第13集团军南部防守的第21集团军依令在格拉西缅科中将指挥下，向莫吉廖夫方向发起反击，威胁德军第2集团军的侧翼，以解在莫吉廖夫和新贝霍夫地域防御的第13集团军之围。
苏第21集团军所属第66、第63、第67步兵军分三路展开进攻。第66步兵军向西面的别列津纳河发起进攻，一口气推进了80多千米，夺回了别列津纳河和普季奇河上的一些渡口；第63步兵军也推进了30多千米，收复了罗加乔夫和日洛宾，并向博布鲁伊斯克方向继续前进；在侧翼的第67步兵军行动也非常迅速，在新贝霍夫配合第13集团军发起反击，阻止了德军第2装甲集群第24装甲军的进攻。17日，在苏军第21集团军的努力下，被合围在克里切夫地区的第13集团军主力得以成功突围(合围圈内只有1个多师，该师一直坚守到了7月27日，牵制了5个德国步兵师)，渡过了索日河组织防御。同日，为对付第21集团军，德军不得不调来第2集团军的第43军和第53军，才将该集团军阻止在博布鲁伊斯克以南，日洛宾西南一线。
20日，德军第2集团军进至别列津纳河与第聂伯河之后，占领帕里奇和新贝霍夫，并在莫吉廖夫南北两侧夺得第聂伯河登陆场。21日，根据苏军统帅部的统一部署，苏军4个集团军集群在向斯摩棱斯克地域实施反突击的同时，以1个骑兵集群突入博布鲁伊斯克西南及其以西地域，