Стойкость гвардейцев раздражала противника, экипажи танков свирепели. Оставшиеся в живых ветераны рассказывали, что танки по нескольку раз буквально утюжили гусеницами окопы. Заметив щель стрелка, танки наезжали на неё и крутили «пятаки», стремясь закопать бойца. Под натиском эсэсовцев полк и часть второго эшелона — подразделений 290-го гв. сп начали в беспорядке отходить к Весёлому. С большим трудов огнем артиллерии и танков 245-го отп удалось приостановить продвижение подразделений полка СС «Туле» к хутору. 290-й гв. сп занял оборону в 600 м южнее хутора, а большая часть 151 — го гв. сп была уничтожена и рассеяна. При отходе батальонов майора Баклана, как, впрочем, и 155-го гв. сп, не удалось эвакуировать бойцов, получивших ранения и контузии. Поэтому большинство из тех, кто потом будет занесен в списки пропавшими без вести, — это убитые и погребенные противником в их же окопах, а также раненые, не сумевшие выбраться с поля боя.

В декабре 2003 г. члены Белгородско-Старооскольского поискового отряда обнаружили участок обороны 151-го гв. и 155-го гв. сп и вскрыли несколько десятков метров второй траншеи на юго-западных скатах выс. 226.6 и севернее хутора Ключи. Были найдены останки более 100 человек в обмундировании, с амуницией и вооружением, у некоторых сохранились солдатские медальоны. При детальном осмотре обнаружили значительное число черепов с характерными отверстиями от пуль. Всё свидетельствовало, что в траншею были сброшены тела раненых бойцов и командиров гвардейской дивизии, а потом добитых эсэсовцами выстрелами в голову.

К 16.00 положение начало стремительно ухудшаться, отдельные танки прорвались через оборону 284-го гв. сп и достигли рубежа северо-восточных окраин Полежаева. Хотя группа, оказалась немногочисленной и прорыв удалось оперативно ликвидировать, для командарма, который по-прежнему про должал наблюдать за боем с выс. 236.7, этот факт стал тревожным сигналом. Стало очевидно: оборона продолжает терять устойчивость, эсэсовцы могут в любое время окончательно переломить ситуацию в свою пользу — прорвать рубеж армии на всю глубину. Угроза была вполне реальной, ведь командарм не имел танковых резервов, а артиллерийские средства ПТО были на исходе.

А. С. Жадов связался к командиром 33-го гв. ск и отдал распоряжение: выделить от каждой из четырех дивизий, действовавших в излучине и на флангах мд «Мёртвая голова», по 10 орудий и сконцентрировать их огонь по наступавшим через полосу 52-й гв. и 95-й гв. сд танкам противника. В 16.00 генерал-майор И. И. Попов подписал следующее распоряжение:

Дополнительно для усиления противотанковой обороны командарм выдвинул от выс. 236.7 в полосу 95-й гв. сд (западнее выс. 235.3) армейский 301-й иптап. Таким образом, к 18.00 артиллерия гвардейских дивизий должна была создать в районе прорыва дивизии Приса огневой мешок.

Согласно данным, нанесённым на личную рабочую карту командующего артиллерией полковника Н. Д. Себежко, к 17.30 боевая группа мд «Мёртвая голова» сумела продвинуться от гребня выс. 226.6 в северо-восточном направлении на 4 км, образовав вмятину шириной по фронту в 3 км, и движение её продолжалось в северо-восточном направлении. В очерке штаба 5-й гв. А, посвящённом контрудару, справедливо признаётся:

Атака боевой группы дивизии СС, начавшаяся в 15.00, длилась более трёх часов без перерыва. Было очевидно, что немцы решили любой ценой прорваться в направлении дороги Прохоровка — Карташевка, а для этого было крайне важно уничтожить нашу артиллерию. Из-за того, что большинство батарей стояло на прямой наводке, потери номеров в расчётах быстро увеличивались, но люди понимали важность момента. Многие легкораненые бойцы и даже с ранениями средней тяжести не покидали поля боя. Пример стойкости и героизма показал взвод ПТР ст. лейтенанта П. И. Шпетного из 284-го гв. сп. Пэтээровцы удерживали один из курганов юго-западнее Полежаева. Во время очередной атаки они подбили несколько танков противника, но силы были не равны. Гибли расчёты, заканчивались боеприпасы, а противник продолжал атаковать. В какой-то момент, истекая кровью, командир взвода со связкой гранат в руках бросился под танк. Столб огня и дыма взметнулся над вражеской машиной, вместе с ней погиб и отважный офицер. Атака противника захлебнулась. На рубеже обороны героического взвода дымились лишь воронки, а на брустверах у своих ПТР навечно замерли восемь гвардейцев. За этот подвиг Павлу Ивановичу Шпетному было присвоено звание Героя Советского Союза посмертно.

К 17.00 52-я гв. сд как боевое формирование перестала существовать. К этому времени два её полка оказались полностью разбиты, части усиления сохранившимися орудиями и установками PC самостоятельно вели бой. Точную цифру убитых, раненых и попавших в плен в частях дивизии её командование, даже после завершения операции, так и не смогло установить. Известно, что вышли из строя более половины командир ров рот и часть комбатов, получил тяжёлое ранение полковник П. Г. Московский. Штаб дивизии полностью потерял связь всеми частями и, попав под удар танков, отошёл на север.

Как свидетельствуют документы 5-й гв. А, к 18.00 отдельные группы танков дивизии «Мёртвая голова» рассекли оборону 284-го гв. сп и, сняв его КП (и 233-м гв. ап), дошли до отрогов оврага восточнее Веселого, вышли на южные скаты выс. 236.7 и ворвались в северную часть Полежаева. В этот критический момент всю тяжесть боя с бронетехникой приняли на себя артиллеристы 95-й гв. сд. Их стойкость, профессионализм и слаженность решили исход поединка в излучине р. Псёл. Перед выс. 236.7 находилась глубокая балка с ответвляющимися в северном и южном направлениях отрогами. Она шла от Веселого в направлении Берегового. Наиболее глубокое ее место находилось на участок Веселый, выс. 236.7. Здесь по ее северным скатам артиллеристы оборудовали свои позиции: между х. Веселый и балкой Барушина (0,7 км юго-запад выс. 236.7) окопались батареи 103-го гв. оиптад майора П. Д. Бойко [437], далее развернулся 1/233-го гв, ап майора Бугаева. На направлении главного удара дивизии «Мёртвая голова» — западнее выс. 235.3 были сосредоточены отошедшие с северо-восточных скатов выс. 226.6 3-й и 2-й дивизионы 233-го гв. ап майора А. П. Ревина, 8-го гв. вдап 6-й гв. вдд.