19 июля, в 9 часов 20 минут утра, после 10-минутного артиллерийского огневого налета и налетов штурмовой и бомбардировочной авиации 15-й воздушной армии по войскам противника войска 3-й и 63-й армий перешли в наступление. Однако, понеся в предшествующих наступательных боях ощутимые потери и будучи встречены при подходе к переднему краю обороны противника сильным артиллерийским и минометным огнем, стрелковые части 3-й и 63-й армий прорвать оборону противника не смогли. Приданные войскам 3-й армии тяжелотанковые полки прорыва задержались на переправе через реку Алешня и
12-й танковый корпус захватил Арсеньево, Кобяково, Сычи, Бычки, вышел на рубеж Грачевка, Золотарево, Ленинский;262
15-й танковый корпус захватил Алексеевку, Александровку, Большое Очкасово, Бортное и достиг рубежа Зыбино, Козинка.263
Боевые действия не прекратились и с наступлением темноты — части 12-го танкового корпуса вели бой за станцию Золотарево всю ночь до рассвета 20 июля. На станции Золотарево подразделениями 30-й танковой бригады 12-го танкового корпуса было захвачено до 100 тонн горючего.
Таким образом, за день боя войска 3-й гвардейской танковой армии прорвали оборону упорно сопротивлявшегося противника и с ожесточенными боями прошли около 14 км. В ходе прорыва обороны противника и последующих боев войска армии понесли значительные потери — так, в 15-м танковом корпусе к 22.00 19 июля на ходу оставалось 32 танка Т-34 и 42 танка Т-70264 (из 129 Т-34 и 68 Т-70 по состоянию на начало дня).
В ночь с 19 на 20 июля в штаб Брянского фронта поступила Директива Ставки Верховного Главнокомандования № 30152 на разгром мценской группировки противника:
Во исполнение полученной директивы Ставки ВГК той же ночью командующий Брянским фронтом генерал-лейтенант Попов поставил перед 3-й гвардейской танковой армией задачу
Командующий 3-й гвардейской танковой армией принял решение основной удар наносить силами наступавшего накануне во втором эшелоне и понесшего вследствие этого минимальные потери 2-го мехкорпуса: ему предстояло наступать с рубежа Калмыково, Большое Очкасово в направлении Богородицкое, Отрада, Новая Слободка с задачей к исходу дня 20 июля овладеть районом Жуково, Новая Слободка, Отрада. 15-му танковому корпусу предписывалось выйти из боя, с рубежа Алешня, Зыбино нанести удар в направлении Новокаменка, Высокое, к исходу дня 20 июля выйти на рубеж Ивановское, Новая Слободка и захватить переправы через Оку на участке Новая Слободка, Ивановское, Оптуха. 12-му танковому корпусу предстояло наступать за 15-м танковым корпусом и к исходу дня сосредоточиться в районе Протасово с дальнейшим развитием наступления на Мценск. 91-я отдельная танковая бригада оставалась в резерве армии.267
В 9 часов утра 20 июля части 2-го мехкорпуса и 15-го танкового корпуса перешли в наступление.268 Как и накануне, войска противника оказывали ожесточенное сопротивление, особенно упорное на рубеже Доброводы, Протасово. Вновь проявила высокую активность немецкая авиация — за 20 июля части 2-го мехкорпуса зафиксировали до 1500 самолетовылетов авиации противника.269 Около полудня 20 июля под натиском наступающих танковых и мотострелковых бригад немецкие войска начали отходить. Опасаясь окружения, немецкое командование в полдень 20 июля начало отвод своих войск из Мценска. Движение войсковых колонн с обозами по шоссе Мценск—Орел было обнаружено авиаразведкой, и командующий 3-й гвардейской танковой армией отдал приказ ускорить наступление и перерезать шоссе Мценск—Орел. К 20 часам 20 июля подразделения 43-й мехбригады генерал-майора Баринова и 33-й танковой бригады полковника Силова — обе из 2-го мехкорпуса — оседлали шоссе. Части 15-го танкового корпуса, действовавшего, по отзыву командования 3-й гвардейской танковой армии,
В 3 часа ночи 21 июля штаб Брянского фронта поставил перед 3-й гвардейской танковой армией новую задачу: