Днем 13 июля маршал Жуков встретился на командном пункте фронта с Коневым и Ватутиным, а на командном пункте 69-й армии — с Василевским. Жуков указывает1, что ими всеми было решено еще энергичнее продолжать начатый 12 июля контрудар, чтобы добиться лучших условий для контрнаступления фронтов и на плечах отходящего противника захватить ранее занимавшиеся им рубежи в районе Белгорода, а затем, произведя в сжатые сроки подготовку войск, перейти всеми силами обоих фронтов в решительное контрнаступление. Для этого 5-я гвардейская армия, усиленная двумя бригадами 5-го гвардейского механизированного корпуса, должна была атаковать противника на его плацдарме на северном берегу реки Псел; 5-я гвардейская танковая армия продолжала наступать с целью выхода в тыл 2-го танкового корпуса СС в район Грезное — Лучки; 69-я армия во взаимодействии с 5-й гвардейской танковой армией ликвидировала части 3-го танкового корпуса противника в районе Ржавец—Рындинка; штатные и приданные соединения 1-й танковой армии продолжали отвлекающие действия, чтобы сковать силы противника и затруднить для немецкого командования возможность маневрировать резервами.

Согласно этому плану утром 13 июля Ватутин поставил перед генералом Жадовым задачу активными действиями отвлечь как можно более крупные силы противника, используя как стрелковые дивизии его армии, так и соединения 5-го гвардейского механизированного корпуса, вышедшие накануне в район села Береговое и к колхозу имени Ворошилова, — 24-ю танковую и 10-ю механизированную гвардейские бригады. Организацией взаимодействия танковых и стрелковых соединений на этом участке занимался сам генерал Ротмистров (поскольку в 51-м гвардейском отдельном танковом полку 10-й гвардейской механизированной бригады две машины были подбиты еще при выдвижении огнем артиллерии стрелковых частей 5-й гвардейской армии1). Командование 5-й гвардейской танковой армии решило, что 24-я гвардейская танковая бригада, 51-й гвардейский танковый полк 10-й гвардейской механизированной бригады и 1446-й самоходно-артиллерийский полк образуют танковую группу под общим управлением начальника штаба 5-го гвардейского Зимовниковского механизированного корпуса гвардии полковника Ивана Шабарова. Танковая группа получила задачу наступать вместе с частями 42-й и 95-й гвардейских стрелковых дивизий 33-го гвардейского стрелкового корпуса на левом фланге 5-й гвардейской армии в направлении хутора Полежаев и далее на Ключи, с целью овладеть хутором и высотой 226,6. Для огневой поддержки наступления танковой группы привлекались 469-й минометный полк 5-й гвардейской армии, три батареи 104-го истребительно-противотанкового артиллерийского полка Зимовниковского механизированного корпуса, а также танки 110-й танковой бригады 18-го танкового Корпуса, занявшие позиции на южном берегу реки Псел. Однако использовать в наступлении части 10-й гвардейской механизированной бригады генерал Ротмистров запретил, поэтому бригада оставалась в резерве в районе села Остренькое (9 км северо-западнее Прохоровки). В первой половине дня 13 июля генерал Ротмистров лично докладывал Ватутину, что наступление началось около 11 утра, с опозданием из-за отсутствия артиллерийских боеприпасов. Моторизованная пехота была по его приказу оставлена в резерве, а танки и самоходные орудия, с учетом опыта боев 12 июля, получили указание держаться за атакующими стрелковыми подразделениями.

Три стрелковых полка 95-й гвардейской стрелковой дивизии атаковали из района хутора Веселый в направлении на Ключи и высоту 226,6, имея одноэшелонный боевой порядок с уступом к правому флангу, за которым были сосредоточены 48—50 боевых машин 24-й гвардейской танковой бригады гвардии полковника Валентина Карпова и 1446-й самоходно-артиллерийский полк. Действуя при артиллерийской поддержке 469-го минометного полка, танков и САУ, к 12 часам стрелковые части продвинулись до господствующей высоты 226,6 северо-восточнее хутора Ключи и заняли первую линию траншей вражеского ротного опорного пункта на ее южных скатах. В этот момент подразделения 287-го гвардейского стрелкового полка 95-й гвардейской дивизии были отрезаны двумя группами вышедших на фланги эсэсовских танков, а затем их контратаковали до двух батальонов панцер-гренадер противника. Советские войска от наступления перешли к обороне на северных скатах высоты 226,6, ведя ожесточенные бои, продолжавшиеся вплоть до 17 часов вечера. Тогда командование 5-й гвардейской армии перегруппировало бронетехнику к хутору Полежаев, в полосу наступления 136-го гвардейского стрелкового полка 42-й гвардейской стрелковой дивизии генерала Боброва, который получил задачу выбить противника с хутора Полежаев. В результате повторной атаки около 19 часов немецкие позиции восточнее хутора были прорваны, и советская пехота при поддержке до 30 танков овладела хутором и стала продвигаться на Ключи. Однако контратаками немецких танков к 20 часам положение и здесь было стабилизировано. Ожесточенные бои продолжались до темноты, когда немцы практически восстановили свои прежние позиции к началу дня на участке Веселый—Полежаев (за исключением хутора Полежаев и высот северо-западнее Полежаева, открывающих выход к дороге Про-хоровка—Карташевка, которые остались в руках у русских). В 24-й гвардейской танковой бригаде 5-го гвардейского механизированного корпуса в ходе боев 13 июля 26 танков было подбито и уничтожено, а 7 танков пропали в глубине обороны противника1. К вечеру 13 июля вся сосредоточенная на данном участке бронетехника — 24-я гвардейская танковая бригада, 51-й гвардейский танковый и 1446-й самоходно-артиллерийский полки — была переброшена на другой участок — в район Жимолостное, для обеспечения тыла 5-й гвардейской танковой армии. Стрелковые дивизии 5-й гвардейской армии, лишившиеся поддержки танков и САУ, выдвинули вперед штрафные роты и до 16 июля пытались ликвидировать плацдарм дивизии «Мертвая голова», безрезультатно штурмуя господствующую высоту 226,6 северо-восточнее хутора Ключи, где в ротном опорном пункте оборонялись эсэсовские автоматчики с 12—15 станковыми пулеметами, поддерживаемые двумя батареями минометов и артиллерийским дивизионом493. В то же время немцы, упорно обороняя плацдарм, эвакуировали оттуда поврежденную бронетехнику вплоть до отступления с северного берега реки Псел в ночь с 17 на 18 июля.

Три стрелковых полка правофланговой 97-й гвардейской стрелковой дивизии 33-го гвардейского стрелкового корпуса, действовавшие вдоль южного берега реки Псел на стыке 11-й танковой дивизии и дивизии «Мертвая голова», при попытке атаковать позиции противника 13 июля успеха не достигли — немцы уже укрепили здесь свою оборону.

В полосе действий 32*го гвардейского стрелкового корпуса 5-й гвардейской армии первоначально планировалось поддержать наступление стрелковых подразделений бронетехникой 31-го танкового корпуса 1-й танковой армии. Около 10 часов утра 13-я и 66-я гвардейские стрелковые дивизии начали атаку на позиции 11-й танковой дивизии 48-го танкового корпуса в направлении Кочетовки, с целью выхода в район хутора Ильинский и овладения высотой 235,9 (глубина задачи до 8 км), но их продвижение под плотным артиллерийским огнем противника составило несколько сотен метров. По невыясненным причинам 31-й танковый корпус получил приказ до особых распоряжений оставаться на прежних рубежах и в атаку не переходил.