Главный миф Смоленского сражения заключается в утверждении, что это сражение сыграло важную роль в срыве германского блицкрига и что на заключительном этапе советские войска имели успех. Чтобы доказать это, советские историки искусственно включили в Смоленское сражение Ельнинскую наступательную операцию Резервного фронта, проходившую в августе – сентябре 1941 года и завершившуюся ликвидацией ельнинского выступа. Однако к тому времени германское командование считало Смоленское сражение законченным и бросило основные силы группы армий «Центр» для окружения войск Юго-Западного фронта в районе Киева и для операции против Ленинграда.
Не дожидаясь полной ликвидации группировок советских войск, окруженных в районах Белостока и Минска, командование группы армий «Центр» решило продолжать наступление на Москву силами танковых и моторизованных дивизий, упредив завершение сосредоточения войск второго стратегического эшелона Красной Армии. 10 июля основные силы 3-й танковой группы Германа Гота устремились в обход Смоленска с севера. 2-я танковая группа Гейнца Гудериана наступала на город с юга. Войска Гота разбили 19-ю армию Конева и к 11 июля полностью овладели Витебском. Попытки частей трех советских армий вернуть Витебск закончились неудачей.
16 июля 1941 года танки Гудериана ворвались в Смоленск. В тот же день 7-я танковая дивизия танковой группы Гота после многодневных атак взяла Ярцево. До Москвы осталось чуть более 300 км. Казалось, что скоро Красная Армия будет уничтожена. Но подошедшие советские резервы нанесли контрудар, и в районе Смоленска две недели шли жестокие бои. Немецким танкистам не удалось с ходу овладеть городом. Смоленск обороняла 16-я армия генерала Лукина, срочно перенаправленная с Юго-Западного фронта. В окружении в районе Смоленска оказались также части 19-й и 20-й армий. Общее руководство боевыми действиями в ходе Смоленского сражения с советской стороны осуществлял генерал Андрей Еременко, назначенный 19 июля командующим Западным фронтом, а с немецкой стороны – генерал-фельдмаршал Ганс Клюге, командующий 4-й армией, в состав которой были включены обе танковые группы. Предшественник Еременко на посту командующего фронтом маршал Семен Тимошенко в приказе от 17 июля предупреждал: «Государственный Комитет Обороны отметил своим специальным приказом, что командный состав частей Западного фронта проникнут эвакуационными настроениями и легко относится к вопросу об отходе войск от Смоленска и сдаче Смоленска врагу. Если эти настроения соответствуют действительности, то подобные настроения среди командного состава Государственный Комитет Обороны считает преступлением, граничащим с прямой изменой Родине.
Комитет Обороны приказал пресечь железной рукой подобные настроения, порочащие знамя Красной Армии. Город Смоленск ни в коем случае не сдавать врагу».
Советские войска взорвали мосты через Днепр, но, несмотря на упорное сопротивление, немцам к 19 июля удалось овладеть большей частью Смоленска. 18–20 июля контрудар с целью деблокирования Смоленска из района Ярцево наносила группа генерала Константина Рокоссовского, но прорваться к окруженным не смогла. Столь же безуспешными оказались действия других оперативных групп Западного фронта под командованием генералов Владимира Качалова, Ивана Масленникова и Василия Хоменко. Пять дивизий из оперативной группы Качалова под Рославлем попали в окружение и были почти полностью уничтожены, а сам Качалов погиб. В приказе Ставки Верховного Главнокомандования № 270 от 16 августа 1941 года он был безосновательно обвинен в измене Родине и добровольной сдаче в плен. Владимира Яковлевича реабилитировали только в 1963 году.
26 июля пал Могилев. А в ночь на 27 июля немцы захватили Соловьевскую переправу, замкнув кольцо окружения. Еременко не удалось скоординировать действия всех оперативных групп. Наступление было плохо подготовлено, так как срочно перебрасываемые к Смоленску дивизии третьего стратегического эшелона вводились в бой с ходу.
К 28 июля командование группы армий «Центр» перебросило к Смоленску пехотные дивизии, освободившиеся после ликвидации Минского «котла», и положение защитников города стало безнадежным. 4–5 августа остатки окруженной группировки вышли из окружения, во многом благодаря тому, что части Рокоссовского на время отбили Соловьевскую переправу.
30 июля Верховное главнокомандование вермахта (ОКВ) своей директивой № 34 приказало группе армий «Центр» основными силами перейти к обороне. Без переброски дополнительных сил она не могла продолжать наступление на Москву. Гитлер решил сначала достичь стратегических целей на флангах. Группа армий «Юг» должна была овладеть Киевом, а затем прорваться в Донбасс. Группе армий «Север» предстояло выйти на подступы к Ленинграду, но город не брать. Таким образом фланговые угрозы группе армий «Центр» были бы устранены, и тогда предполагалось возобновить наступление на советскую столицу. Против этого возражало Главное командование сухопутных войск (ОКХ), настаивавшее на продолжении наступления на Москву, и многие командующие армиями. Так, командующий 3-й танковой группой Гот вспоминал: «Это было полным отречением от первоначального плана – мощными силами, сосредоточенными в центре, пробиться через Смоленск на Москву. «Мощные силы» центра, состоявшие из двух танковых групп и трех полевых армий, сократились до одной полевой армии. Обе же танковые группы – основная ударная сила – были переброшены одна направо, другая налево. Совершенно очевидно, что подобное обстоятельство противоречило принципу – наступать там, где противник более всего ослаблен, то есть между Смоленском и Великими Луками в направлении на Ржев». Впоследствии многие немецкие генералы именно поворот на север и на юг, осуществленный в августе – сентябре, называли одной из главных причин краха блицкрига. Между тем даже если бы Гитлер дал группе армий «Центр» необходимые подкрепления за счет других групп армий, все равно наступление на Москву замедлилось бы из-за необходимости направлять дополнительные силы для отражения фланговых угроз с севера и юга, со стороны советских Северо-Западного и Юго-Западного фронтов, и все равно немцы не успели бы достичь своей цели до зимы.
В тактическом отношении Смоленское сражение выиграл вермахт. С 10 июля по 4 августа в боях за Полоцк, Витебск, Смоленск и Могилев было взято в плен около 300 000 советских солдат, подбито и захвачено более 3 тыс. танков. Примерно столько же советских солдат ранее было захвачено в плен в Белоруссии. Однако ценой больших потерь советское командование смогло значительно замедлить продвижение противника на московском направлении. Однако блицкриг еще не был сорван, и захват Киева и Донбасса, равно как и блокада Ленинграда, осуществлялись немцами еще в рамках осуществления стратегии «молниеносной войны».
Сталин расценил Смоленское сражение как крупное поражение Красной Армии. 29 июля Жуков был снят с поста начальника Генштаба и назначен командующим Резервным фронтом. Этому предшествовали драматические события. 1 июля 1953 года Лаврентий Берия, арестованный и опасавшийся, что его скоро убьют, писал бывшим товарищам по Президиуму ЦК: «Т.Т. Маленков и Молотов хорошо должны знать, что Жуков, когда его сняли с Генерального штаба по наущению Мехлиса, ведь его положение было очень опасно, мы вместе с вами уговорили назначить его командующим фронтом и тем самым спасли будущего героя нашей Отечественной войны…» Сталин хотел сделать из Жукова «козла отпущения» за поражение в Смоленском сражении, и только заступничество других членов ГКО разрядило ситуацию. Жуков был назначен командующим Резервным фронтом и провел успешную операцию по освобождению Ельни.