纵深防守而显露疲态，不得不转攻为守。
苏军攻势成了强弩之末，莫德尔立刻抓住机会翻盘。9月7日，德军反击突破最深的苏军第41集团军，第1装甲师和大德意志摩步师一个团从北面，第41、42坦克、装甲师从南面，向苏军据守的突出部两侧发动钳形攻势。3天以后，德军南北两路会师，4万苏军被包围。
朱可夫不是一个轻易认输的人。面对各条战线传来的坏消息，他表现出超人的果敢，孤注一掷将战略预备队投入进攻，企图从勒热夫东侧击破莫德尔的防线，救援被围苏军。9月11日，苏军第5、6坦克军2万官兵和350辆坦克，在宽仅4公里的正面猛攻德军的坚固防线。第5坦克军的战史这样记载：“一支信号火箭在空中爆炸，战场上立刻回荡着‘为了祖国前进’的呐喊声。这是上午10点，第243、247步兵师率先发起人浪冲锋，立刻遭遇敌军凶猛的火力。残酷的战斗进行了一天，整个突破面陷入瘫痪。第5坦克军的装甲集群投入战斗，硬冲德军防线，但是遭到敌军坦克的凶猛反击，被迫后撤。关键的高地几度易手，战场上到处都是燃烧的坦克和被毁的大炮。”
苏军前仆后继的波次冲锋如同海浪冲击礁石，在德军坚固防线和精准炮火前撞得粉碎。经三天激战，苏军损失坦克300辆，官兵伤亡数万，完全失去了进攻能力。16日凌晨，别尔伊以南的被围苏军在索罗马津的带领下丢弃所有重武器向西突围，付出惨重代价以后返回苏军战线。至此“火星”作战以惨败告终。苏军阵亡和被俘26万余人，伤残50万人，损失坦克1847辆，大炮1100门。德军的伤亡在4万人左右。
朱可夫向斯大林递交了一份旨在为自己开脱的报告中分析了原因：
“这次进攻是针对由敌人坦克占据的构筑良好的工事发起的，攻势的地点位于沼泽和森林地带，天气条件也复杂多边。这些以及其他的条件都对敌人有利。我们（坦克部队）缺乏和步兵之间的必要的配合，也缺乏可靠的炮兵和空军的支援。组织用火炮和空军来压制敌人的防御支撑点（特别是反坦克的工事）的工作做的很不充分，这导致了我们的几个坦克军蒙受了很大的损失。
正如我已经提到过的，我们的军，除了一个反坦克团外，缺乏它自己的炮兵。我们的侦察和通信工作做的很差，这对于指挥和控制部队产生了不利的影响。最后，方面军和集团军对我们坦克军的调动经常变更而且缺乏灵活性，跟当时的形势往往不相符合。所有这些都严重的妨碍了任务的完成”。
德军的情报也证实了很多苏军存在的问题。第9集团军的8月30日情报总结中也看到了苏军炮兵对前进的步兵的支援工作做的很糟糕：“看不到（苏军）攻击行动和炮兵火力之间有什么协调可言，随着攻势的进一步发展，步兵和炮兵的协调变得更乱了。”
德军报告同时也证实了苏军在步兵能够达成完整的突破之前，过早地投入装甲和骑兵部队。另外，德军还认为苏军一直低估德军的实力，这仿佛是一种与生俱来的倾向。显然，这种错误还引起了苏军指挥层内的很大的分歧。第9集团军9月3日的情报总结中证实，由于苏军低估了德军实力，当德军指挥部在战役过程中将新的师团投入到重要地点时，导致苏军措手不及。这份新的报告援引缴获的苏军文件说，苏军最初投入战役的部队损失了整整一半的力量！
第9集团军在其9月15日中情报总结中得出结论，苏军已经承受了惨重的损失，“流干了他们的血”。情报人员将苏军失败的最终原因归结于苏军的领导能力不足：
“流干他们的血”正是德国元首追求的目标。