Златоустовская операция, открывшая Красной Армии путь через Уральский хребет, была проведена с точки зрения канонов военного искусства почти образцово (притом что просто «образцовых», без «почти», в природе не существует — в планы полководцев всегда вмешивается случай или неучтенные обстоятельства). Местность, где предстояло действовать 5-й армии, была труднодоступна для больших масс войск — лесистые горные кряжи, пересекавшиеся долинами рек Ай и Юрюзань, узким дефиле железной дороги и трактом Бирск — Златоуст (ранее этим трактом шел Ханжин в своем безумном наступлении к Волге). Главный удар Тухачевский наносил на крайнем левом фланге, от которого и отходил упомянутый тракт. Здесь он сосредоточил ударную группу из 15 стрелковых полков 26-й и 27-й дивизий с сильной артиллерией. А правее ее смело оставил незанятый войсками 90-километровый промежуток против практически недоступного хребта Кара-Тау. Белые, в свою очередь, и Бирский тракт, и Златоустовскую железную дорогу прикрыли двумя примерно одинаковыми по численности группировками. На тракте стоял сильно потрепанный Уральский корпус с полутора пехотными и тремя слабыми кавалерийскими дивизиями. Железную дорогу держали две пехотные дивизии того же корпуса и кавбригада. В тылу, в пяти переходах от линии фронта, располагались две пехотные дивизии Уфимского корпуса Каппеля и Ижевская бригада — самая боеспособная во всей колчаковской армии, сформированная из восставших против большевиков рабочих ижевских заводов. Пехотная дивизия белых тогда уже значительно уступала по численности личного состава стрелковой дивизии красных.
В ночь с 23 на 24 июня 26-я дивизия форсировала реку Уфу у селения Айдос и овладела выходом из дефиле реки Юрюзань. Через сутки Уфу преодолели и главные силы 27-й дивизии, наступая по Бирскому тракту, а одна из ее бригад, двигаясь вдоль железной дороги, 29 июня заняла Аша-Балашовский завод. 26-я дивизия двигалась по долине Юрюзани. Временами идти приходилось по руслу реки. Бойцы порой вынуждены были на себе перетаскивать орудия через горные перевалы. У селения Дуван 27-я дивизия разбила части Уральского корпуса и 1 июля вышла на Уфимское плоскогорье, по которому открывался путь к Златоусту — важному узлу дорог. С его захватом войска Колчака уже не смогли бы долго удерживать Урал. От Златоуста открывался путь в Западную Сибирь. Однако 26-я дивизия, не встречавшая сопротивления, вышла на плоскогорье на двое суток раньше 27-й и внезапно атаковала располагавшуюся на отдыхе 12-ю дивизию противника. Части последней сконцентрировались в районе селения Насибаш, где смогли Зиюля окружить три полка 26-й дивизии. Последним, однако, удалось прорваться и соединиться со своим резервным полком. 4-я белая дивизия позднее вступила во встречный бой с только что преодолевшей горные проходы 27-й дивизией, в котором потерпела поражение. 6 июля 26-я дивизия овладела Насибашем. Однако основным силам корпуса Каппеля и Уральского корпуса удалось избежать окружения из-за того, что бои задержали продвижение обходных колонн 5-й армии. 10 июля Тухачевский начал атаку на Златоуст силами 27-й дивизии по кратчайшему пути, тогда как 26-я должна была прижать белых к горам. 13 июля город пал.
После потери Златоуста Западная армия Ханжина откатилась к Челябинску. Падение этого города грозило прервать связь основных сил Колчака с войсками, действовавшими на юге, в районах Оренбурга и Уральска, под руководством генерала Г.А. Белова. Поэтому белые пытались Челябинск отстоять. 5-ю армию хотели заманить в ловушку, сперва сдав город, а потом окружив в нем дивизии Тухачевского. Но этот план требовал сложных маневров и хорошей подготовки бойцов и командиров. Колчаковские войска, состоявшие большей частью из мобилизованных крестьян и пленных красноармейцев, для масштабных перегруппировок и глубоких охватов уже не годились. Военный министр Будберг крайне скептически оценивал шансы на успех задуманного. 25 июля он так прокомментировал план Челябинской операции: «…Узнал, что задумана чрезвычайно сложная операция окружения Челябинской группы красных, требующая испытанных и надежных войск лучшего старого кадрового типа; операция сложна и искусственна даже для старых войск, так как требует идеального исполнения, и малейшая где-нибудь неустойка все рвет и может привести к полному краху. Такие операции можно проводить только на карте или на больших показных маневрах.
Состояние войск, их неспособность к маневру, их неспособность выдерживать прорывы и обходы заставляют считать, что для этой операции 95 % за то, что она кончится полной катастрофой. По грубой схеме, показанной мне в Ставке, некоторым дивизиям придется вести бой на два и на три фронта, т. е. дана такая задача, которой современные наши войска выполнить не в состоянии, ибо не выдерживают флангового огня и даже признаков нахождения неприятеля в тылу и на флангах. Несомненно, это безумная ставка Лебедева для спасения своей пошатнувшейся карьеры и для доказательства своей военной гениальности…»
А на следующий день барон-пессимист разузнал «кое-какие подробности сумбурной операции, рожденной мудрыми головами Лебедева и Сахарова; оказалось, что они задумали повторить Мамаево побоище, с заманиванием красных в ловушку при помощи добровольного очищения Челябинского узла; считают, что красные бросятся на эту приманку, после чего их там захлопнут при помощи очень сложного маневра, в котором главная роль отведена совершенно сырым в боевом отношении дивизиям Омского округа и конным частям.
С бумажной, теоретической точки зрения, все это очень красиво и заманчиво, так что немудрено, что ничего не понимающий в сухопутном деле адмирал согласился на эту операцию; но с точки зрения реального выполнения и оценки средств выполнения, операция совершенно безумная и возможная только при условии, что красные представляют стадо баранов и спасуют при первом же обнаружении нашего гениального плана; а так как на сие нет никаких надежд и так как мы замахиваемся совершенно негодными для исполнения средствами, то у меня, по крайней мере, весь шанс на успех заключается в авоське и заступничестве Николая Чудотворца».
При отходе белых из Челябинска там вспыхнуло восстание рабочих, в результате чего колчаковские арьергарды были сильно потрепаны. После того как 5-я армия 24 июля вошла в город, на ее флангах перешли в наступление группы генералов Войцеховского и Кап-пеля, насчитывавшие, соответственно, 16 и 10 тысяч штыков и сабель. Однако бывшие красноармейцы, преобладавшие у Каппеля, вскоре просто отказались идти в наступление, и генерал предпочел оставить их в обороне, опасаясь измены. Тухачевский же существенно пополнил свою армию за счет челябинских рабочих. 29 июля его войска перешли в наступление и отбросили белых дальше на восток.
7 августа 1919 года командующего 5-й армии наградили орденом Красного Знамени, как отмечалось в приказе Реввоенсовета, «за нижеследующие отличия: доблестные войска 5-й армии под искусным водительством командарма т. Тухачевского после упорнейших боев, разбив живую силу врага, перешли через Урал. Бугуруслан, Бугульма, Бирск и Златоуст пали под нашими ударами благодаря смелым, полным риска, широким маневрам армии, задуманным т. Тухачевским. 24 июля геройскими частями 3-й бригады 27-й стрелковой дивизии взят Челябинск. Огромный успех, достигнутый армией, является результатом, главным образом, талантливо созданного тов. Тухачевским плана операции, который твердо проведен им в жизнь». Тогда рискованность маневров безоговорочно ставилась командующему в заслугу. Никто не думал, что через год на Польском фронте такого рода маневр приведет советские армии к полной катастрофе.
Остановиться войска «верховного правителя» России смогли только на рубеже реки Тобол. Здесь 5-й армии была поручена главная задача: форсировав реку, овладеть Петропавловском и, разгромив противостоявшую ей 3-ю армию белых под командованием генерала К. В. Сахарова, идти на колчаковскую столицу Омск. 20 августа бойцы Тухачевского форсировали Тобол и вышли на дальние подступы к Петропавловску, пройдя за короткий срок до 180 километров. Действовать приходилось в казачьих районах, где население в большинстве было настроено к большевикам враждебно. Поэтому Тухачевскому пришлось создать Троицкий и Кокчетавский укрепленные районы для защиты флангов армии от казачьих партизанских отрядов. Командарм вел наступление в двух направлениях — вдоль тракта Звериноголовская — Петропавловск, где наносился главный удар, и по железной дороге Курган — Петропавловск, рассчитывая охватить противника и принудить его к быстрому отходу. Командующий Восточного фронта В.А. Ольдерроге, бывший генерал, настаивал на ином решении — концентрации всех сил армии в направлении железной дороги, где была сосредоточена основная группировка белых. Кроме того, он учитывал, что тракт проходил по казачьим районам, где можно было ожидать особо сильного сопротивления. Тухачевский, как обычно, поступил по-своему, продолжая действовать основными силами армии в направлении Звериноголовская — Петропавловск. Позднее, в 1935 году, в опубликованной в «Красной Звезде» статье «На Восточном фронте» он не пожалел черных красок для бывшего комфронта, арестованного еще в начале 30-х в рамках чистки Красной Армии от бывших царских офицеров и потому не удостоенного теперь удостоверяющего благонадежность обращения «товарищ»: «Трудно понять, где выискивал Троцкий таких людей! Человек никому не известный, в лучшем случае бездарный, Ольдерроге сделал все от него зависящее, чтобы наше неотступное преследование Колчака сорвалось». Да, умел Михаил Николаевич тонко намекнуть, что его оппонент — быть может, саботажник и скрытый враг Советской власти!
Ольдерроге настаивал на возвращении к своему плану и соответствующей перегруппировке войск. Как вспоминал Тухачевский, «произошла крепкая телеграфная перепалка, но Ольдерроге категорически настоял на перегруппировке. Белые учли эту ошибку. Уже на подступах к Петропавловску они перешли в контрнаступление, сковали части 5-й армии с фронта, а на правый фланг и тыл двинули с юга две пехотные дивизии» — вновь сформированный Сибирский казачий конный корпус сибирского атамана генерала П.П. Иванова-Ринова (в середине 20-х в эмиграции в Китае он перешел на сторону большевиков) и конную группу генерала Доможирова. Корпус сибирских казаков разбил одну из бригад 26-й стрелковой дивизии, опрокинул войска Тухачевского и погнал их назад, к Тоболу. «Никому не известный, в лучшем случае бездарный» Ольдерроге спас легендарных «пятоармейцев» от разгрома, подкрепив армию Тухачевского дивизией из фронтового резерва и бросив против левого фланга ударной группы белых соединения 3-й армии, также форсировавшей Тобол. Благодаря этому 5-я армия отошла за реку без больших потерь и удержала плацдарм на право