В течение ночи с 12 на 13 июля и следующим днем авиация 1-й ВА ЗапФ наносила бомбоштурмовые удары по войскам и позициям противника в районах Хатьково, Моилово, Кцынь – Сорокино (всего за сутки было совершено 652 самолето-вылета) [155] . Утром 13 июля 8-й гв. ск возобновил наступление. Перед ним была поставлена задача: прорвать тыловой оборонительный рубеж немцев на участке Старица – Речица; обеспечить ввод в прорыв 5-го тк; во взаимодействии с ним наступать в направлении Ульяново – Крапивна. На рассвете 13 июля, после 30-минутной артподготовки, части 8-го гвардейского и 5-го танкового корпусов 11-й гв. А продолжили движение вперед, стремясь овладеть крупным опорным пунктом второй полосы обороны противника в селе Старица, но были встречены контратакой 13-го и 14-го панцер-гренадерских полков 5-й тд, которая получила задачу создать рубеж обороны западнее Речицы. Используя заранее подготовленные укрепления и складки местности, немцы встречали атакующих сильным перекрестным огнем и контратаковали во фланги силами до двух-трех батальонов пехоты с 15–30 танками [156] . Одновременно по боевым порядкам наступающих советских войск пыталась нанести удары германская штурмовая авиация, действовавшая небольшими группами от 4 до 8 самолетов (всего в полосе ЗапФ за 13 июля было учтено 80 самолето-пролетов германской авиации [157] ). Однако контратаки не только не принесли немцам успеха, но при этом был частично оттеснен со своих позиций, а частью окружен 13-й пгп 5-й тд под командованием полковника Генриха Бронзарта-Шеллендорфа (Heinrich Bronsart-Schellendorff) [158] . После отражения контратак генерал Малышев приказал корпусной артиллерийской группе произвести десятиминутный огневой налет, для которого на двухкилометровом фронте было сосредоточено более 250 орудий и минометов [159] . Огневой налет был дополнен ударом 224-й штурмовой авиадивизии полковника Михаила Котельникова (Михаил Васильевич Котельников), закрепленной за 5-м тк, по артиллерийским позициям и скоплениям техники в районе опорного пункта в Старице. После этого части 11-й гв. сд 8-го корпуса, которой командовал генерал Иван Федюнькин, действовавшие при поддержке 43-й гв. тбр полковника Михаила Лукашева (Михаил Павлович Лукашев), охватили Старицу с востока, скрытно продвигаясь по оврагам и лощинам мелкими группами пехоты и танков и одновременно отвлекая внимание противника огнем и демонстрацией наступления с севера. Завершив охват к 13 часам, части дивизии внезапно атаковали опорный пункт с юго-востока, завязали бои на окраинах, а затем прорвались в село. После уличного боя остатки разгромленного немецкого гарнизона пытались отойти на Медынцево, но были рассеяны ударом левофланговой 1-й гв. сд 16-го гв. ск под командованием генерала Николая Кропотина и 10-й гв. тбр полковника Андрея Бурлыги, выдвинувшихся для блокирования дороги Старица – Ульяново, которые обошли Старицу с запада и юга-запада.
Таким образом, к середине второго дня операции на этом участке оказалась преодолена и вторая полоса обороны немецкого 53-го ак. Наступающие советские войска открыли себе путь на юг и юго-восток, тогда как немецкие части спешно закреплялись на рубеже Желябово – Пустой – Медынцево.
Штурмовая авиация 1-й ВА ЗапФ начала наносить удары вдоль дороги Старица – Дудоровский – Кцынь и уничтожила мост через реку Рессету у Кцыни, полностью блокировав движение автотранспорта на этом участке и воспретив подход к месту прорыва неприятельских резервов. Теперь для развития успеха и глубокого расчленения обороны противника командование 11-й гв. А решило ввести в прорыв крупную группу танков из состава 5-го тк с задачей преследовать противника в направлении Крапивна – Афонасово. Танковая группа вошла в прорыв с 14 часов 30 минут и во взаимодействии с передовыми отрядами пехоты, преследуя противника на юго-восток, с ходу овладела селениями Веснины, Крапивна, отдельными отрядами продолжая развивать наступление на Ягодную. К исходу дня соединения 8-го гвардейского и 5-го танкового корпусов вышли на рубеж Белый Верх – Старица – Веснины – Крапивна.
Вместе с тем, как отмечает маршал Баграмян [160] , ударная группировка 11-й гв. А рассекла немецкую оборону узким клином и, хотя успешно продвигалась в глубину, но ее фланги были прикрыты слабо. Противник подготавливал контрудар с запада, из района Медынцева, чтобы отрезать выдвинувшиеся далеко вперед части 5-го тк. Одновременно главные силы немецкой 25-й мд при содействии частей 293-й пд и поддержке авиации готовились нанести контрудар по левому флангу 36-го гвардейского корпуса, выдвинув разведывательный отряд мд в населенный пункт Меховое. Данные авиационной разведки и показания пленных свидетельствовали о том, что с юго-востока, из района Орла, подходят крупные колонны танковых и моторизованных войск противника. С полудня 13 июля резко возросла активность вражеской авиации: группы по 20–30 пикирующих бомбардировщиков наносили удары по боевым порядкам танковых и стрелковых корпусов. В сложившихся условиях, чтобы добиться развития тактического прорыва в оперативный, требовалось прежде всего использовать боевые возможности приданных армии танковых корпусов.
Соответственно, учитывая угрозу фланговых контрударов, Баграмян приказал генералу Сахно закрепиться основными силами 5-го тк на достигнутом рубеже и оттянуть назад танковые бригады, оторвавшиеся от других частей. В частности, командующий армией счел, что оставлять 70-ю тбр в Ягодной при отрыве ее от остальных частей корпуса более чем на 15 км нецелесообразно и опасно, поскольку это давало противнику возможность сравнительно легко отрезать ее от главных сил армии. Исходя из этого, Баграмян приказал бригаде отойти в район Крапивны [161] . Оставление Ягодной потребовало в дальнейшем двух дней упорных боев с подошедшими сюда резервами противника, что снизило темп продвижения советских войск и увеличило их потери. С другой стороны, командование 11-й гв. А решило нарастить усилия на Медынцевском направлении с целью разгромить части 5-й тд немцев до подхода их резервов, выдвигавшихся из района Орла.
Во второй половине дня 13 июля в сражение на Медынцевском направлении вступили соединения 1-го тк генерала Василия Буткова. В 14.30 часов командующий 11-й гв. А ввел 1-й тк вслед за 5-м тк в прорыв на участке Старица – Ульяново, поставив задачу ударом на Медынцево, во взаимодействии с левофланговыми частями 16-го гв. ск, уничтожить 5-ю тд немцев. Наступление корпуса генерала Буткова поддерживала 231-я штурмовая авиадивизия 1-й ВА под командованием полковника Леонида Чижикова, части которой 13 июля нанесли ряд ударов по опорным пунктам неприятеля в Медынцево и Дудорово (Дударово, 6 км юго-западнее Ульяново). По утверждению Баграмяна [162] , в результате состоявшегося боя 5-й тд противника был нанесен громадный урон, она потеряла большое количество танков и оказалась обескровленной (согласно немецким источникам, фронтальные контратаки, которые 13 июля предпринимала 5-я тд, стали причиной потери 45 танков, тогда как у противника было подбито 40 боевых машин).
К 19 часам две бригады 1-го тк во взаимодействии со стрелковыми частями 1-й гв. сд генерала Кропотина овладели Медынцево и Дудорово. В итоге боев 13 июля частям 1-го тк удалось продвинуться на 12–15 км и овладеть тремя крупными опорными пунктами противника, который потерял подбитыми и уничтоженными 47 танков, 7 самоходных орудий, 2 бронемашины, 43 орудия разных калибров, 6 минометных батарей, 800 военнослужащих убитыми и взятыми в плен, а кроме этого, оставил три крупных склада. Потери 1-го тк составили 350 военнослужащих убитыми и ранеными, 10 танков было уничтожено и 13 машин получили боевые повреждения.
К 21 часу все танковые и мотострелковая бригады 1-го тк сосредоточились в районе Медынцево, Дудорово и в роще восточнее Дудорово, а подошедшие к реке Черебеть передовые отряды 16-го гв. ск начали преследование подразделений 5-й танковой и 293-й пехотной дивизий противника, отходящих в юго-западном направлении на Холмищи – Дудоровский. При этом в связи с тем, что 211-я пехотная и 5-я танковая дивизии оказались к северу и северо-западу от участка прорыва, потеряв контакт с 293-й пд, оперативная группа Мюллера перешла в подчинение командующего 55-го ак генерала Эриха Яшке (Йашке, Erich Jaschke).