În noaptea de 2-3 mai 1944, generalul sovietic Konev a efectuat o modificare semnificativă a planului de atac, trasând principalele acțiuni pentru ziua următoare. Patru armate din gruparea principală de atac, situată în zona Târgu Frumos, au fost instruite să se concentreze pentru o ofensivă într-un sector îngust, mai ales pe fondul optimismului exagerat al lui Konev, care considera că forțele și resursele disponibile erau suficiente pentru a străpunge apărarea germană.
Konev a mobilizat forțele combinate ale Armatelor 2 și 5 Tancuri, împreună cu alte trupe ale Armatei 7 Gardă și corpul întărit al Armatei 40, rezultând peste 300 de blindate. Informațiile de spionaj indicau că germanii aveau la dispoziție două divizii blindate cu circa 100 de tancuri, ceea ce l-a făcut pe Konev să creadă că atacul va avea succes.
Însă germanii erau conștienți de determinarea lui Konev și au reevaluat forțele lor. Corpul LVII și cele două divizii blindate asociate au regrupat unitățile pentru a contracara asaltul imminent. Divizia 24 s-a concentrat la vest de Târgu Frumos, iar alte unități, inclusiv Batalionul 2 Mecanizat, au fost detașate pentru a întări apărarea.
În dimineața zilei de 3 mai, atacul sovietic a început, dar rezultatul a fost dezastruos. Atacurile Armatei 7 Gardă și Armatei 5 Tancuri nu au reușit să obțină succes, iar luptele din sectorul Redui s-au soldat cu pierderi severe pentru sovietici. Diviziile puscași au fost supuse unui foc concentrat de artilerie germană, iar aproape jumătate din tancurile Armatei 5 Tancuri de Gardă au fost distruse.
Raportul de luptă al Großdeutschland sublinia „un măcel al tancurilor” în urma atacurilor sovietice, cu pierderi uriașe și o retragere fără realizări notabile la căderea nopții. La stânga grupării de atac, eforturile Armatei 2 Tancuri s-au dovedit, de asemenea, insuficiente, în ciuda unor succese tactice locale. Contraatacurile germane în satele Făcuți, Ulmi și Veci au fost susținute de tancuri și aviație, ceea ce a complicat și mai mult situația pentru sovietici.
Deși Brigăzile de tancuri 107 și 109 din Corpul 16 Tancuri au reușit o anumită avansare, germanii au contraatacat rapid, forțând trupele sovietice să se retragă la pozițiile anterioare. Rezistența germană a fost eficientă, iar strategiile de apărare au oprit majoritatea avansurilor sovietice.
În concluzie, deși ambii comandanți, Konev și STAVKA, au realizat că înfrângerea era aproape inevitabilă, forțele sovietice au fost determinate să încerce o ultimă ofensivă în ziua următoare. Această etapă a bătăliilor de la Târgu Frumos subliniază intensitatea și brutalitatea confruntărilor dintre cele două forțe, accentuând dificultățile întâmpinate de Uniunea Sovietică în încercarea de a răsturna situația de pe front.
