蘇軍攻勢成了強弩之末，莫德爾立刻抓住機會翻盤。9月7日，德軍反擊突破最深的蘇軍第41集團軍，第1裝甲師和大德意誌摩步師一個團從北麵，第41、42坦克、裝甲師從南麵，向蘇軍據守的突出部兩側發動鉗形攻勢。3天以後，德軍南北兩路會師，4萬蘇軍被包圍。
朱可夫不是一個輕易認輸的人。麵對各條戰線傳來的壞消息，他表現出超人的果敢，孤注一擲將戰略預備隊投入進攻，企圖從勒熱夫東側擊破莫德爾的防線，救援被圍蘇軍。9月11日，蘇軍第5、6坦克軍2萬官兵和350輛坦克，在寬僅4公裏的正麵猛攻德軍的堅固防線。第5坦克軍的戰史這樣記載：“一支信號火箭在空中爆炸，戰場上立刻回蕩著‘為了祖國前進’的呐喊聲。這是上午10點，第243、247步兵師率先發起人浪衝鋒，立刻遭遇敵軍凶猛的火力。殘酷的戰鬥進行了一天，整個突破麵陷入癱瘓。第5坦克軍的裝甲集群投入戰鬥，硬衝德軍防線，但是遭到敵軍坦克的凶猛反擊，被迫後撤。關鍵的高地幾度易手，戰場上到處都是燃燒的坦克和被毀的大炮。”
蘇軍前仆後繼的波次衝鋒如同海浪衝擊礁石，在德軍堅固防線和精準炮火前撞得粉碎。經三天激戰，蘇軍損失坦克300輛，官兵傷亡數萬，完全失去了進攻能力。16日淩晨，別爾伊以南的被圍蘇軍在索羅馬津的帶領下丟棄所有重武器向西突圍，付出慘重代價以後返回蘇軍戰線。至此“火星”作戰以慘敗告終。蘇軍陣亡和被俘37萬餘人，傷殘50萬人，損失坦克1847輛，大炮1100門。德軍的傷亡在4萬人左右。在德軍陣營裏作戰的東方部隊近10萬人傷亡。
朱可夫向斯大林遞交了一份旨在為自己開脫的報告中分析了原因：
“這次進攻是針對由敵人坦克占據的構築良好的工事發起的，攻勢的地點位於沼澤和森林地帶，天氣條件也複雜多邊。這些以及其他的條件都對敵人有利。我們（坦克部隊）缺乏和步兵之間的必要的配合，也缺乏可靠的炮兵和空軍的支援。組織用火炮和空軍來壓製敵人的防禦支撐點（特別是反坦克的工事）的工作做的很不充分，這導致了我們的幾個坦克軍蒙受了很大的損失。
正如我已經提到過的，我們的軍，除了一個反坦克團外，缺乏它自己的炮兵。我們的偵察和通信工作做的很差，這對於指揮和控製部隊產生了不利的影響。最後，方麵軍和集團軍對我們坦克軍的調動經常變更而且缺乏靈活性，跟當時的形勢往往不相符合。所有這些都嚴重的妨礙了任務的完成”。
德軍的情報也證實了很多蘇軍存在的問題。第9集團軍的8月30日情報總結中也看到了蘇軍炮兵對前進的步兵的支援工作做的很糟糕：“看不到（蘇軍）攻擊行動和炮兵火力之間有什麼協調可言，隨著攻勢的進一步發展，步兵和炮兵的協調變得更亂了。”
德軍報告同時也證實了蘇軍在步兵能夠達成完整的突破之前，過早地投入裝甲和騎兵部隊。另外，德軍還認為蘇軍一直低估德軍的實力，這仿佛是一種與生俱來的傾向。顯然，這種錯誤還引起了蘇軍指揮層內的很大的分歧。第9集團軍9月3日的情報總結中證實，由於蘇軍低估了德軍實力，當德軍指揮部在戰役過程中將新的師團投入到重要地點時，導致蘇軍措手不及。這份新的報告援引繳獲的蘇軍文件說，蘇軍最初投入戰役的部隊損失了整整一半的力量！
第9集團軍在其9月15日中情報總結中得出結論，蘇軍已經承受了慘重的損失，“流幹了他們的血”。情報人員將蘇軍失敗的最終原因歸結於蘇軍的領導能力不足：
“流幹他們的血”正是德國元首追求的目標。