На 13 сентября задачей войск центрального участка фронта было: прочно удерживать занимаемые рубежи и совершенствовать оборонительную систему. На южном участке левофланговые части 244-й стрелковой дивизии и правофланговые части 10-й стрелковой бригады при поддержке 133-й и 26-й танковых бригад должны были нанести удар по 24-й немецкой танковой дивизии из района высоты с отметкой 126,6 в общем направлении на станцию Садовая.
Ночь на 13 сентября на всем фронте армии прошла спокойно. Только одиночные самолеты люфтваффе сбрасывали бомбы на советские войска и на территорию города.
На рассвете 13 сентября 38-я моторизованная, 6-я танковая бригады 23-го танкового корпуса, занимавшие позиции к юго-востоку и к югу от селения Александровна, части 10-й стрелковой бригады, находившиеся восточнее станции Садовая, и 35-я гвардейская дивизия, оборонявшая рубеж Ельшанка, Купоросное, подверглись интенсивной бомбардировке немецких пикировщиков, а также сосредоточенному артиллерийскому и минометному обстрелу. Около 7 часов германские войска перешли одновременно в наступление против центральной и южной частей города, нанося удары из района Городище в юго-восточном направлении и из района Песчанка (7 км юго-западнее станции Садовая) в северо-восточном направлении, в тоже самое время обороняясь в центре 71-й пехотной дивизией. Для участия в наступлении немецкое командование привлекло три пехотные, две танковые и одну моторизованную дивизии (76, 94, 295-я пехотные, 14, 24-я танковые и 29-я моторизованные дивизии). Этими силами были нанесены удары с четырех направлений: 1) разъезд Разгуляевка, поселок Красный Октябрь, высоты 144,3; 126,3; 2) больница, Аэродромный поселок; 3) станция Садовая, МТС; 4) с юго-запада на Купоросное. Командование немецких войск рассчитывало этими концентрическими ударами сломить сопротивление советских войск и овладеть центральной и южной частями города.
На участке 23-го танкового корпуса (центральный участок фронта армии) после ожесточенного боя и ценою больших потерь немецким частям удалось во второй половине дня прорвать оборону войск Красной Армии и овладеть МТС и поселком, расположенными соответственно в 1 км северо-восточнее и юго-восточнее разъезда Разгуляевка, восточными скатами высоты с отметкой 126,3 и Аэродромным поселком. При этом 6-я танковая бригада уничтожила 27 танков противника, 16 автомашин и до 500 германских солдат, но и сама понесла тяжелые потери: в ней остались только один танк и 30 человек личного состава.
