Еще 14 июля приказом маршала Тимошенко оборона подступов к городу и самого Смоленска была поручена 16-й армии генерал-лейтенанта Лукина, имевшая в своем составе один 32-й стрелковый корпус (46-ю и 152-ю стрелковые дивизии). Однако обе эти дивизии уже были введены в бой на подступах к городу с прорвавшимися мотомеханизированными частями.
Вскоре в оборону Смоленска включились части и соединения 19-й армии, потерявшие связь со своим штабом: 129-я стрелковая дивизия генерал-майора
А. М. Городнянского, некоторые части 38-й стрелковой дивизии. Позже штабу 16-й армии был подчинен 34-й стрелковый корпус генерал-лейтенанта Р. П. Хмельницкого: 127-я и 158-я стрелковые дивизии, которые вышли к южной окраине города. Общее руководство войсками в районе Смоленского «котла» осуществлял генерал-лейтенант
А. И. Еременко (с 19 июля — командующий Западным фронтом). Бои в районе Смоленска стали приобретать организованный характер. 17 июля 1941 года маршал Тимошенко в своем боевом приказе указал:
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
По приказу коменданта Смоленска полковника П. Ф. Малышева
17 июля были взорваны мосты через Днепр. Попытки подразделений немецкой 29-й моторизованной дивизии форсировать Днепр отбиты. В ходе ожесточенных боев 17-18 июля отдельные районы города переходили из рук в руки. Однако к утру 19 июля противнику все же удалось занять большую часть города.