事实上，在4月3日这一天，真正与华军坦克部队发生大规模战斗的是红军少将索连京指挥的机械化第3军坦克第2师。该师编有2个坦克团（第3、4团），1个摩托化步兵团（第2团），1个摩托化炮兵团（第2团），拥有约20辆超重型坦克，一些“t－34”坦克，以及约80辆左右的“bt”快速坦克。1944年4月3日，坦克第2师在克利涅河桥头堡附近，与正在行进中的华军摩托化第41军装甲第6师纵队在一个名叫奥特雷萨的小村发生了遭遇。双方的300多辆坦克在狭窄的地域内进行了中苏战争史上的第一次大规模坦克遭遇战。与红军坦克第2师遭遇的中国装甲第6师是一个在轻装师基础上组建的装甲师，师长是马文峰中将。在对苏战争开始时，装甲第6师主力坦克第11团编有3个坦克营（第1、2、65坦克营），在战争开始时拥有245辆坦克，其中装备85毫米炮的“行者”坦克20辆，装备100毫米炮的“行者”坦克160辆，其余为坦克歼击车和指挥坦克。在该师编成内还包括2个齐装满员的摩托化步兵团（第114、4团）和1个摩托化炮兵团（第76团）。与红军坦克第2师相比，装甲第6师在坦克数量上处于2：1的优势地位。但在坦克质量上也更胜一筹。当红军坦克部队向华军隆隆驶来时。华军的坦克炮和反坦克炮轻易的把1辆辆装甲薄弱（车体正面装甲只有15毫米）的“bt”快速坦克打瘫。但当华军的这些火炮在50至100米距离射击那些体形巨大的超重型坦克时，命中坦克的穿甲弹虽然将其装甲板打的火光、钢花飞溅，但却根本无法穿透其正面装甲，甚至无法使坦克起火燃烧。一门华军的150毫米自行榴弹炮在“天启”坦克开到距离其不到100米时开炮轰击，重达40公斤的炮弹直接命中了这辆坦克，巨大的爆炸使苏联超重型坦克车体剧烈摇晃，整个车身仿佛就要散架。可令当时在场的华军第41摩托化军军长王超勇将军感到大为震惊的是，这辆苏联坦克在停了数秒钟后，竟然奇迹般的再次开动起来，并将刚才射击它的自行火炮打了个粉碎。在战前深信自己握有坦克质量优势的华军装甲部队官兵被这种新式俄国坦克所震撼。约40辆中国坦克和18门火炮被苏军击毁。摩托化第41军编成内的另一个装甲师——资格最老的第1装甲师也遇到了相似的情况。当该师的坦克在大约800米的距离上开炮射击苏联超重型坦克时，竟然没有任何效果，而当双方的坦克群间的距离拉近至50至100米时，中国坦克发射的炮弹仍被苏联超重型坦克坚固的装甲弹了回来。一辆苏联超重型坦克前后中弹达70多发，却仍然未被摧毁。尽管苏军的超重型坦克具有性能上的优势，但红军毕竟缺乏训练和实战经验，他们的坦克被展开在过于宽大的正面，彼此间由于无线电设备的缺乏而难以联系。而在战火纷飞、硝烟弥漫的战场，正在浴血奋战的苏联坦克手也很难通过观察坦克指挥官手中的信号小旗来协同作战。指挥上的困难使苏军坦克难以组织起像中国那样的大坦克群，因此只能把部队分成一个一个的小坦克群，并且在宽大的正面使用。这就使红军的坦克攻势无法形成数量优势，给予对方以更有力的打击。中国人当然不会放过对手的任何弱点。就在苏联坦克从正面发动凶猛而缺乏组织的攻击的同时，死死抵抗的中国人正以另一个装甲师的兵力运动到红军的侧翼发动打击。将苏军赶进了茫茫荒原。
富于坦克战经验的中国装甲部队充分的利用了他们的各种优势（包括通信，训练等等），熟练的运用各个军兵种的兵力兵器进行着紧密的协同以反击苏军的进攻，其熟练程度令人叹为观止。中国空军发挥了巨大的作用，战前就受过打坦克专门训练的空军投射手们利用n5“蜻蜓”战术攻击机对苏军超重型坦克进行精确的轰炸。在中国飞机凶狠的打击下，一辆一辆装甲厚重的苏联超重型坦克被接二连三的击穿击毁，不可一世的装甲巨兽变成了一堆废铁。与此同时，华军坦克也向苏联超重型坦克的行动装置射击，打断其履带，而训练有素的华军战斗工兵则爬上不能动弹的苏联坦克。用集束手榴弹或者**将其彻底炸毁。红军坦克第2师遭受了巨大的失败，战场上到处都是被击毁并熊熊燃烧的苏联坦克残骸，该师师长索连京少将也于4月6日战死。尽管取得了胜利，但被新式苏联重型坦克所震撼的摩托化第41军军长王超勇仍感到心有余悸。他后来回忆道：“从战术上看，4月4日是非常紧张的一天。”远在后方的中国陆军总参谋长蒋百里也在日记中评价：“这一天南方地段的苏军。打得顽强而激烈。”不过需要指出的是，虽然苏军的反攻遭到了彻底失败。但此时桥头堡的战斗还未完全结束。在4月4日到5日，苏军第2坦克师1辆残存的超重型坦克挡住了第6装甲师的补给通道。
和“kv”重型坦克相比，苏联人的这种超重型坦克装有2门大口径毫米榴弹炮。之所以采用这样大口径的火炮，其目的是为了能够摧毁敌方坚固的防御工事。但这也使坦克的炮塔变得特别巨大，不仅导致车体行动不便，而且看上去宛如一座移动的堡垒。为了消灭这辆挡住去路的苏联“怪物”坦克，华军不仅出动了大量坦克，并且派出了工兵爆破组。甚至动用了师属的150毫米自行榴弹炮。结果。他们却在苏联超重型坦克大口径重炮的打击下，损失了7辆坦克、1个反坦克连和4辆坦克歼击车，12辆装甲车也被击毁。虽然这辆顽强的苏联超重型坦克最终被多达50辆的中国100毫米炮型“行者”坦克和2门150毫米自行榴弹炮联合击毁，但由于它的阻挡，却迟滞了第6装甲师两天的行动。
南线残酷的装甲战斗还在继续着。在4月3日进攻中几乎毫无建树的苏军机械化第12军在4日晨受到了方面军司令部继续进攻的命令，但只有其所属的坦克第23师的一个坦克团在步兵第9师的掩护下执行了这一命令。中国的反坦克部队和第一航空队联手重创了这队苏联坦克。到黄昏来临时，苏军60％的参战坦克已被华军的反坦克炮和轰炸机炸毁。坦克第23师残部只得向东北方向撤退。第二天，此前因为没有燃滑油而在4日没有出动的坦克第28师终于领到了油料。在师长切尔尼霍夫斯基上校的指挥下，该师投入了战斗。但此时战场形势对苏军已大大不利，各路反攻部队都已被击退。孤立无援的坦克第28师和坦克第23师一样。在进攻中被华军的坦克炮、反坦克炮和空军击毁了大量坦克。仅仅在4月5日进行的一次长达4小时的坦克战中，该师便损失了48辆坦克。坦克第28师最终也只得后撤。苏军坦克部队的反突击作战至此宣告失败。
红军损失了大量坦克和其它兵器，按中国方面的统计，仅仅摩托化第41军就消灭了180辆苏联坦克。其中包括29辆“kv”重型坦克。而中国空军第1航空队则宣称到7月1日止，他们的飞机（主要是n5“蜻蜓”战术攻击机）已经干掉了250辆苏联坦克。
取得胜利的摩托化第41军向位于西特瓦纳河的古特拉城挺进。在该摩托化军的左翼，进展顺利的薛镇远正驱使摩托化第56军拼命向西特瓦纳河挺进。在道路缺乏的情况下，为了保证部队的行进速度，薛镇远让他手头唯一的装甲师——装甲第8师沿着公路开进，摩化第3师则走公路以南路况比较差的道路。而步兵第290师则跟在机动部队后面掩护其安全。
在行进中，摩托化第56军没有遭遇红军的大规模反击。虽然在其通路上，苏军第8集团军的一些部队进行了顽强的抵抗，但中**队还是在4月6日抵达古特拉附近的西特瓦纳河。为了夺取河上通向城市的公路桥，华军派出了内务部的特种部队。这些人伪装成苏军伤兵。乘坐缴获的2辆苏联卡车混入苏军运输车队。但在开近大桥时，他们被苏联哨兵识破并遭到射击。这些特种部队开着卡车强行冲上大桥，消灭了随时准备炸桥的苏军哨兵并切断了爆破装置的电线，占领了这个渡口。靠着他们的配合，华军顺利的渡过了西特瓦纳河，其装甲第8师进至古特拉城外。摩托化第56军得以建立起桥头堡。这样一来，红军东北方面军不仅在反突击中遭到了失败，而且其在西特瓦纳河一线组织起有效防御的计划也破产了。
在中路的中国装甲部队取得胜利的同时，掩护其两翼的2个集团军也取得了不小的进展。在西北集团军群右翼，第16集团军早在4月3日就占领了奥列格斯克。而左路第18集团军下属的第38军步兵第291师则在突破国境线后。在34小时内穿插44英里，兵临红旗里海舰队基地古里耶夫城下，包围该城并很快发动了进攻。
为了确保拿下这座苏联海军基地，中国统帅部为中将指挥的步兵第291师配属了大量加强部队，其中包括1个机枪营、1个摩托车连、1个轻型自行高炮连、1列装甲列车和3个炮兵营、1个列车炮连（2个150毫米加农炮营、1个210毫米加农炮营、装备406毫米列车重炮的第690列车炮连）。1个空军侦察机中队。
苏军在古里耶夫城的守备部队包括杰达耶夫少将指挥下的苏军第8集团军步兵第67师的5300余人。以及克文斯基海军上校领导的海军基地守备队。总的兵力只有人，在人数和火力上都处于绝对劣势。但这些部队仍然进行了殊死抵抗。双方在城内发生了激烈的巷战，给华军造成严重的人员伤亡。4月8日，华军终于占领了古里耶夫，该城的守备司令杰达耶夫本人在此前的4月5日战死，而他的部下有些一直坚守到了4月9日。在华军第1军和第26军进攻下的交通枢纽奥伦堡，战斗同样激烈。从4月7日华军攻入城市，到4月10日苏军放弃奥伦堡前，红军的守备部队重创了担任奥伦堡主攻任务的华军哈萨克部“草原”集团军群（隶属于第1军，指挥官哈空木中将）。
在连续丢失古里耶夫和奥伦堡后。苏军里海舰队只得冒着中国空军的猛烈袭击，撤退到了巴库。在古里耶夫，该舰队损失了4艘驱逐舰和6艘潜水艇。
到4月5日，华军西北集团军群已经在苏联境内推进了80至250公里。
但出乎中国最高统帅部意料之外的是。在反击失利，华军全面推进的情况下，苏军西南方面军并没有像他们事先估计得那样死守里海地区，而是迅速进行了全面撤退，其速度每昼夜达35至40公里。事实上苏联在战前吞并这一地区的目的，无非是要获得一块掩护腹地的缓冲地带而已。从4月9日开始，西南方面军下属的第8集团军和第11集团军分别向北、南两个不同的方向退却，在其间出现的大缺口使已经渡过了恩巴河的华军第4装甲集群得以更为顺利的进攻。尤其是负责掩护的红军第11集团军，此时已经陷入了无指挥状态。
乘此良机，4月15日。华军摩托化第41军的先头部队在克服苏军坦克部队的抵抗后，在附近的铁路沿线，还缴获了一列满载新式坦克的苏军军列。
为了保住受到中国装甲部队威胁的斯大林格勒，红军只得将从莫斯科军区抽调来的步兵第41、22军，以及从斯大林格勒调来的机械化第1军投入战斗，并以这3个军组成了新的第11集团军（第11集团军原有的部队被编入第27集团军）。他们和新组建的其它部队的任务，是拼死挡住中国第4装甲集群通向用斯大林本人名字命名的这座城市的道路。
红军在里海地区的撤退组织得混乱不堪，大量部队在不知道应该撤退到什么地方、应该从哪里渡河的情况下和难民一道，在中国特工和破坏人员以及当地民族主义者的不断袭扰下，乱哄哄地盲目退却。但在中国人看来。与其他方向的苏军相比，红军东南方面军的撤退居然还算是比较成功的。这里的部分原因在于这个战区的中国装甲部队在缺乏步兵配合的情况下，往往让已经被截断了后路的苏联军队从华军松散的战斗队形当中“漏”了出去，有时华军摩托化部队即使抢占了渡口，也无法截住蜂拥而来的苏军。正如当时指挥摩托化第56军的观察员所描绘得那样。快速行进中的中国装甲部队根本没有时间和兵力来肃清战区内的敌人。因此在西北集团军群的作战地域内，虽然缴获了大量武器装备。俘虏人数却非常少，到4月8日仅有约人。
更糟糕的是，由于害怕部队受中国第9集团军近距离合围的威胁，巴甫洛夫还下令将第10集团军调到突出部中部进行防御，这样不仅使苏军在后方没有足够的兵力去对付快速推进的中国装甲摩托化部队，同时还把更多的部队装进了中国人预定的“大口袋”之中。
东方方面军如此漏洞百出的反击计划，在执行上同样极为困难。先不去说预定投入反击的部队是否还有时间去领取弹药、油料，侦察敌情、地形，修理那些快要报废的旧坦克。事实上，准备投入右翼反击的2个苏联机械化军中，机械化第11军的部分兵力早在4月2日就已经投入了与中国第9集团军的作战，其所属部队中只有坦克第29师赶到预定地点，而坦克33师则在35公里以外，摩托化第204师以及军部更是远在70公里以外。另一个机械化第6军则还待在进攻出发阵地以南40公里。方面军左翼的机械化第14军也是在开战第一天就陷入了苦战。
由于从战争爆发时起，东方方面军就未能与所属部队建立起有效的联系，司令员巴甫洛夫只得亲自去部队布置任务。可在他离开司令部后，东方方面军、甚至莫斯科的斯大林都无法与他本人取得联系。东方方面军的情况变得更加混乱，预定开始的反击因此迟迟未能发动。