47-я А и две левофланговые дивизии 40-й А весь день 20 августа вели ожесточенные бои с противником, усилившим сопротивление за счет войск, переброшенных из района Ахтырки. К исходу дня 47-я А, продвинувшись на 5—10 км, вышла на рубеж Березовый – Рассоховатый – Олешня – Сосонка. Войска 47-й А и левофланговые соединения 40-й А почти вплотную подошли к Ахтырке с севера и северо-запада.

По воспоминаниям маршала Москаленко[1043], в первой половине дня 20 августа наиболее ожесточенное сопротивление было оказано немцами на левом фланге 40-й А, куда они перенацелили также и авиацию. Группами от 20 до 60 самолетов противник несколько часов непрерывно бомбил боевые порядки 100-й и 206-й стрелковых дивизий 47-го корпуса. В полдень 20 августа бомбовый удар был нанесен по штабу 52-го ск, в результате чего оказался выведен из строя узел связи, а через два часа бомбардировке подвергся штаб 206-й сд, из-за чего командир дивизии генерал Меркулов получил контузию, а начальник штаба полковник Николай Ткаченко погиб. Однако все это не улучшило положения немцев. К исходу 20 августа войска 40-й и 47-й армий подошли к Ахтырке с севера и северо-запада, глубоко охватив левый фланг контрударной группировки противника. Одновременно главные силы 40-й А в составе усиленного 52-го стрелкового и 2-го танкового корпусов продолжали успешно наступать вдоль реки Псел все дальше на юго-запад. Все это, вместе взятое, вынудило фашистское командование отказаться от дальнейших наступательных действий в районе Ахтырки и отдать приказ о переходе своей ударной группировки к обороне.

По данным штаба 47-й А[1044], спасаясь от окружения своей ахтырской группировки, противник упорно удерживал Чупаховку (22 км юго-восточнее города Лебедина), создавая угрозу левому флангу и тылу 47-й А, что серьезно препятствовало ее дальнейшему продвижению.

Согласно донесению генерала Ватутина[1045], 20 августа в районах севернее Ахтырки противник с боями отходил за реку Псел и на левом фланге фронта его действия носили характер боевой разведки. Захватом пленных подтверждаются действия 88-й и 75-й пехотных дивизий против 38-й А и остатков 255-й пд против 40-й А.

38-я А частями левого фланга 20 августа вела бои за полное очищение восточного берега реки Псел, заняв Васильевку, Замостье, Пришиб, Жовтневый, Басы, а 38-я сд вышла на окраины города Сумы.

40-я А за день боя частями правого фланга (237, 309, 161-я стрелковые дивизии) продвинулась на 25 км и вышла к реке Псел на участке Пашков – Селище; 2-й тк силами 99-й танковой и 58-й мотострелковой бригад овладел Веприком, где перешел к обороне, а его 26-я тбр овладела Московским Бобриком; на левом фланге части 40-й А овладели населенными пунктами Олешня, Поповка.

47-я А за день боя продвинулась на 12 км и, отразив неоднократные контратаки противника силой до 10–15 танков из района Рассоховатый (Разсоховатый) – Мартыновка, к исходу дня вышла на рубеж Боровенька – Семеновка – Березовый – Рассоховатый – Мартыновка. 3-й гв. мк сосредоточился в районе Рассоховатого, 10-й тк к исходу дня вышел к Олешне.

Стремясь добиться разгрома ахтырской группировки немцев, 20 августа командующий ВорФ поставил войскам фронта следующие задачи на 21 августа[1046]:

1. 40-й А – прочно закрепиться на рубеже реки Псел на участке Пашков – Веприк, в готовности к дальнейшему наступлению, а 2-му тк перерезать дорогу Ахтырка – Зеньков, для чего выйти в район Камыши и выслать передовые отряды в Зеньков и Веприк для удержания переправ через реки Грунь и Псел.

2. 47-й А – возобновить наступление с утра 21 августа и к исходу дня выйти на рубеж Пашкино – Аленина – Шевченки – Биданы с целью охватить район Ахтырки с запада и юго-запада; 3-му механизированному и 10-му танковому корпусам выйти в район Шевченки – Ясеновое – Чернетчина для нанесения удара по Ахтырке с запада.

3. 27-й А – наступать на Ахтырку с востока и выйти на рубеж Ясеновое – Хухря, завершив во взаимодействии с 47-й армией разгром ахтырской группировки немцев.

4. 4-й гв. А – перейти в наступление с рубежа Веселый Гай – Каплуновка на Котельву и к исходу первого дня, разбив противостоящего противника, выйти на рубеж Хухря – Котельва.

5. 6-й гв. А – прочно удерживать занимаемый рубеж Пархомовка – Любовка – Хрущевая Никитовка – совхоз «Гавриши».

6. 1-й ТА – перейти в наступление и овладеть районом Сидорячье – совхоз «Пионер» – Пархомовка.

С целью упростить управление 40-й армией правофланговая 29-я сд 47-й А передавалась в 40-ю А, а 100-я и 206-я левофланговые стрелковые дивизии 40-й А переходили в подчинение 47-й А. В результате этого обмена 40-я А была целиком сгруппирована правее 47-й А. Для усиления группировки 1-й ТА на Ахтырском направлении 31-й тк был выведен из-под Богодухова, где его позиции заняли стрелковые дивизии 6-й гв. А, и 21 августа сосредоточился в районе Пархомовки.

Под угрозой окружения своих наиболее боеспособных танковых и моторизованных соединений с 21 августа командование немецких 4-й танковой и 8-й полевой армий основные усилия направило на организацию отвода войск, сосредоточенных в междуречье Ворсклы и Мерлы, за Ворсклу. Поэтому ближайшей целью боевых действий 24-го и 48-го танковых корпусов в районе Ахтырки стало связать противника и обеспечить себе отступление.

На фронте советской 4-й гв. А немцы в течение 21–23 августа отступили от Каплуновки, Чемодановки, совхозов «Пионер» и «Ударник», что позволило войскам 20-го гв. ск продвинуться на 6—10 км. По воспоминаниям генерала Бирюкова[1047], генерал Микеладзе доложил ему, что с помощью 3-го гв. тк противник отброшен от совхоза «Ударник», а находившийся в окружении 29-й гв. воздушно-десантный сп вышел к главным силам соединения, насчитывая в составе 723 бойца. После этого воздушно-десантные стрелковые дивизии генералов Микеладзе и Стенина получили возможность развить наступление в направлении Хухря – Михайлово, тогда как дивизия генерала Калинина, первоначально продвинувшаяся своим левым флангом значительно западнее Каплуновки, теперь вынуждена была вести встречные бои с частями немецкой 10-й мд на рубеже Сидорячье – Пархомовка. В то же время немецкая 7-я тд отошла и заняла укрепленный район, быстро подготовленный на господствующем над местностью плато в районе Котельвы, а мд «Великая Германия» стала постепенно выводиться в тыл для перегруппировки на наиболее угрожаемое Зеньковское направление (по некоторым данным[1048], в частях дивизии к 22 августа еще насчитывалось 80 боеготовых танков).

По оценке генерала Бирюкова[1049], в результате четырех дней боев под Ахтыркой 4-й гв. А не удалось добиться разгрома противостоящих вражеских сил, но потери армии при всем желании не назовешь небольшими, особенно в дивизиях генералов Микеладзе и Стенина. Вместе с тем войска 4-й гв. А совместно с 3-м гв. тк уничтожили около 100 вражеских танков и САУ.