7月5日，准备就绪的法军重新开始进攻。但此时德军已在缺口投入了生力军，法军的进攻遇到了前所未有的激烈抵抗，伤亡惨重，进攻一次次受挫，无法完成预定的任务。英军第四集团军作为主攻力量连续攻击，也损失巨大，开战仅10天，就伤亡了近10万人，不得不暂时停止进攻。此时，德军统帅部意识到英法军队在索姆河的攻击规模是空前的，其目的和企图决不仅仅是牵制凡尔登方向的德军，如果掉以轻心，可能造成整个战线的崩溃。于是，德军迅速抽调兵力，加强第二集团军的力量。为此，将预备队第十四兵团、第六兵团和第九兵团调到前线，德国的步兵师由8个增加到21个，此外还有27个重炮连、15个轻炮连、30架飞机。
7月9日，英法军队又恢复了进攻。由于德军的兵力大大加强，因此虽然英法士兵冒死冲锋，进展依然缓慢，双方很快就进入胶着状态。更严重的是，英法军队在战斗指挥上极不协调，双方步调不一，未能协调一致地行动，从而影响了战斗进程。到7月17日，英军仅前进3～4公里，法军推进了6～7公里。经过近半个月的战斗，无情的事实证明英法军队想迅速突破德军防线是不可能的，协约国原先设想的计划在德军顽强的防御面前失败了。法国方面由于凡尔登的压力减小，决定重新制定新的作战方针。
于是，一场增加兵力兵器的特殊竞赛代替了大规模的战役进攻。从这时起，英法军先后投入的兵力达51个师，飞机由300架增加到500架。德国方面兵力也达到31个师，飞机从104架增加到299架。整个8月，英法军采取了分散兵力全面出击的战术，希望最大限度地消耗德军兵力，达到局部改善态势、扩大突破口的目的。德军则采取集群战术针锋相对，以弹坑和掩体为依托，用机枪对付英法军的散兵队形，结果英法军遭到巨大损失。截至8月底，英法军在两个多月的进攻中，以伤亡近30万人的代价，才向前推进了3～8公里。德军的伤亡是20万人。为守住索姆河防线，德军在这段战斗中，消耗了约600列车弹药。同时，不得不放弃在凡尔登的进攻，把索姆河方向的德军增加到40个师。
9月初，英法达成了关于共同攻击的计划。法军按计划加强了右翼力量，扩大了左翼战线。这样，索姆河战役的规模日益扩大。9月3日，英法军的1900余门火炮又开始向德军猛烈轰击，一场新的攻击又开始了。还未等炮击的硝烟散尽，天空中传来了机群的轰鸣声，英法军派出了强大的空中力量支援进攻，这些飞机不断地向德军阵地轰炸、扫射，摧毁在炮火准备中幸存的德军工事和炮兵阵地。与此同时，英法军的4个集团军，法军26个师、英军32个师的兵力从所有战线上实施了大规模联合攻击，其主要突击方向集中在右翼英国第四集团军攻击地带内。战斗异常激烈。德军阵地上，堑壕线和带刺铁丝网都被摧毁无遗，地面上炮弹坑密密麻麻，死尸遍地都是，恶臭冲天。双方围绕着一些要点反复争夺，许多阵地都易手多次。英法军每前进一步，都要付出极大代价。尽管如此，英法军仍以每昼夜推进150～200米的速度，渐渐地深入德军防御纵深2～4公里，个别地段上甚至接近了德军的第三阵地。就在这关键时刻，天不作美，一连多日下起了暴雨，加上大雾，使炮兵无法得到航空侦察的帮助，泥泞的道路也使重炮无法向前转移。在此情况下，英法军队打算以一种新式武器来加快战役的进程。
9月15日清晨，在索姆河畔的费莱尔——库尔杰莱堤战场上，大雾笼罩，硝烟弥漫，德军的士兵们正静静地躲在堑壕里，等待着英法军队发动新的进攻。猛烈的炮火准备过后，德军士兵麻木地爬出掩蔽部，把各种机枪搬上阵地，准备迎击即将开始的步兵冲锋。这样的日子已经持续了两个多月了。英法军队已经在德军的阵地前留下无数的尸体。
7时30分左右，远方地平线上突然出现了十几个运动着的黑点，这些黑点决不是德军早已熟悉的散兵线。它们渐渐接近了，德军士兵们依稀听到了一种奇怪的轰鸣声，其间还隐约夹杂着钢铁的撞击声。不久，德军士兵已经看清，那是一个黑色的“钢铁怪物”，奇怪的轰鸣声和钢铁的撞击声越来越大，大地也在不断地颤动。
望着这些从未见过的“钢铁怪物”，德军士兵们被吓呆了，在慌乱中，他们操起机枪和步枪，向这些“怪物”猛烈射击，但是往日威力巨大的机枪子弹不是被弹回来，就是从这些“怪物”身上滑落下去，“钢铁怪物”似乎毫不在意地继续前进。德军士兵在这突如其来的“怪物”面前，抵抗意志顷刻间彻底崩溃了，纷纷扔下枪支，掉头向后四处逃散。他们不知道这种令人生畏的新式武器，就是后来称雄战场的陆战之王——坦克。
坦克在德军步兵的心理上产生了巨大影响。庞大的“钢铁怪物”隆隆怒吼着向前开进，履带铿锵作响，它们在泥泞的弹坑间如履平地般驶过，压倒了曾阻挡过无数步兵的铁丝网，越过了堑壕，将德军的工事碾压得支离破碎。与此同时，它们用机枪和火炮猛烈射击，像秋风扫落叶一样，打得德军尸横遍野。德军步兵丢弃防御阵地，有的逃跑，有的躲进掩蔽部，或者投降被俘。跟随坦克进攻的英军部队未受多大伤亡便占领了被弃守的掩体，缴获被抛弃的机枪和火炮。其中有一辆坦克迫使大约300名德军士兵投降，它在另一辆坦克的支援下，未放一枪就占领了费莱尔村。但是在攻击热德库尔附近的炮兵连时，这辆坦克的乘员遭到悲惨的结局。它压坏了一门火炮后，却被另一门火炮击中，起火燃烧。8名乘员中只有两人逃出坦克，免于一死。经过一天的战斗，共有10辆坦克被击毁。
坦克的出现，既是当时突破步兵无法克服的堑壕和铁丝网的需要，也是当时技术发展所提供的可能性的必然产物。自从西线陷入堑壕战僵局后，防御的一方，特别是德国人，在作战中广泛运用了机枪、速射炮等大杀伤力武器，并与铁丝网、堑壕等防御手段相结合，使阵地防御战术日趋完善，防御明显强于进攻。进攻一方除了依靠强大的炮火外，没有任何突破防线的方法。英国人在对德的阵地战中，伤亡惨重，吃尽了苦头。因此处心积虑地想发明一种能突破堑壕体系的攻击型武器，这种武器既要能轻松地突破堑壕和铁丝网，又要能挡住密集的机枪子弹，还要有强大的火力。坦克就是在这种情况下应运而生的。
1915年，英国的斯文顿中校和他的同事琼斯中校受到大战初期在法国活动的一支海军装甲车辆特遣队的启发，向英国陆军部提出了研制坦克这种新式武器的建议，但遭到了陆军部的拒绝。就在这个计划面临夭折的时候，当时的英国海军大臣丘吉尔对这个计划表现出浓厚的兴趣，并大力支持。1915年2月，丘吉尔打破常规，在英国海军部内部秘密成立了“陆地战舰委员会”，在斯文顿和琼斯的具体指导下，负责研制一种装备有武器并具有装甲防护的“陆地战舰”，希望它能打破堑壕战的僵局。
1915年8月，世界上第一辆坦克在英国诞生了。这虽然只是一辆样车，名字叫“小游民”，但它的问世却代表着武器发展史上的一个里程碑。斯文顿中校看到样车后，觉得它像一个大箱子，就按照它的形状给它起了个“水柜”的名字。其英文发音译成中文就是坦克。
不久，英国就制造出了第一批用于实战的坦克，定型投产后命名为“马克工”型坦克。这种坦克的整个车体轮廓呈菱形，从远处看去，像一个巨大的蝌蚪，圆圆的身体后面还拖着一条长尾巴，即两个导向轮。两个大型的履带架装在车体两侧，车体上设有旋转的炮塔，采用外圈式履带，在每个履带架的外侧，装有一个突出的炮座，上面装有火炮和机枪。
这种坦克还很不完善，技术装备差，又非常笨重。其战斗全重为27.4～28.4吨，车体长达8.1米，宽4.1米，高2.5米，每小时速度仅为6公里。车内有8个乘员，其中半数为驾驶员，其工作条件极差。车体内没有减震装置，乘员室周围全是悬挂的履带，在行驶中，乘员们要忍受巨大的颠簸。车内噪声极大，根本无法进行正常的对话，乘员之间只能通过敲打发动机的机壳和用手势来传递信号。车内与外界的联系则是依靠放信鸽来实现。车内烟雾弥漫，温度高达70摄氏度。
到1916年8月，英国共生产出49辆这样的坦克，这还是在海军大臣丘吉尔的支持下“非法”建造的，坦克内的驾驶员也大都未经过专门训练。此时，索姆河战役正在激烈进行，英军前线司令黑格在得知这一秘密武器后，不顾许多人的反对，命令它们参加战斗，因为英军的损失已到了不可忍受的地步。
由于坦克的机械性能不佳，参战的49辆坦克从集结地域出发到达冲击出发阵地的过程中，有17辆因为机械故障而在中途抛锚，到达冲击出发阵地的只有32辆。在开始冲击后，又有5辆坦克陷入泥沼之中不能动弹，另外9辆坦克因机件损坏不能参战，所以最后实际冲击到德军前沿阵地的只有18辆坦克。
英军将仅剩的18辆坦克分为两队，其中以9辆坦克在步兵之前引导冲击，负责扫除德军阵地前的铁丝网等障碍物，突破德军的堑壕线。另外9辆坦克伴随步兵前进，负责以火力压制堑壕内的德军，直接支援步兵作战。
初次参战的18辆坦克显示了惊人的威力。这一天，英军以21个步兵师的兵力，在坦克的支援下，在10公里宽的正面上分散攻击，5小时内向前推进了4～5公里，这个战果以往要耗费几千吨炮弹，牺牲几万人的性命才能取得。英军未受多大伤亡就占领了德军放弃的掩体，缴获了德军丢弃的机枪和火炮。
坦克的参战取得了一定的效果，为英军的进攻增添了声势；但未能帮助英军彻底突破德军的防线。因为宽大的进攻正面上仅仅使用18辆坦克，效果太有限了。经过一天的战斗，英军参战的18辆坦克已有10辆损坏，再也无法支援战斗了。
9月25日，英法军队在索姆河以北18公里的正面再次发动新的攻势，在这次攻击中，英军又使用了13辆坦克助战。由于德军统帅部及时总结了对坦克作战的经验，并命令前线部队利用一切手段摧毁坦克，粉碎英法军队的进攻，所以当天英军坦克再次出现在德军前沿时，德军士兵已不再惊恐了。他们利用机枪和小口径炮以及手榴弹等武器，向英军坦克展开进攻。结果，英军坦克有9辆不是陷在弹坑里，就是被德军击毁，只有4辆坦克与步兵一起，占领了德军第一线掩体，控制了索姆河和昂克河之间的高地。
经过整整1个月的激战，英军在横跨索姆河的德军战线上，从佩罗纳到博蒙特一段，打进了纵深为5英里的楔子，但未能达到突破德军防御并转人运动战的目的。德军在这一时期则加强了防御体系，兵力不断增加，并采取了一系列强大的反冲击，阻滞了英法军队的进攻。时已近深秋，看来在入冬前完成对德防线的突破是不可能的。但英国和法国人仍抱一线希望，他们决定再打下去，作最后的努力。
10月，英法军队集中力量，对有限的目标重点攻击。结果依旧是得不偿失，损失巨大，而毫无战果。到11月份，英军又投入3辆坦克，在昂克尔河第三次使用坦克。由于天气恶劣，滂沱大雨不断，被炮火破坏的地面变成一片片沼泽，连生存都很困难，进行战斗简直是不可能的，英军的这次攻击仍然是徒劳往返。
到11月中旬，气候的限制使战斗已无法进行，双方的物资也已枯竭，无以为继。据统计，几个月的战斗，英军的损失总数已达42万人，法国达到20余万人，而德军阵亡、负伤、被俘和失踪的达到65万人。
索姆河战役持续4个月之久，它连同凡尔登战役，成为1916年西线乃至整个第一次世界大战中规模最大的战役之一，而且这两个战役互相联系，互相牵制。就像凡尔登战役中的德军一样，英法军队作为进攻的一方，没有达到自己的目的。德军以凡尔登战役牵制了英法军队在索姆河战役的力量，而英法军队则以索姆河战役牵制了德军在凡尔登战役中的力量。由于战术的教条和堑壕阵地防线在当时无法克服的缘故，这两个战役最后都成了消耗战，特别是索姆河战役。
在索姆河战役中，共有150个师，约1万门火炮、1000架飞机和许多其他的技术装备投入了战役。英军57个师中，在这次战役中投入了55个师；法军100个师中，投入了32个师；德军122个师中，投入67个师。战役没有给英、法带来胜利。阵地正面未被攻克。联军仅在宽35公里、纵深近10公里的一段上攻入德军防御地带，花了巨大的代价，仅从德军手里夺回了240平方公里的土地。法军在战役中损失34万人，英军45万人，德军则近54万人，其中被俘10万人。对德国来说，这次损失如此惨重，以致再也无法恢复过去的战斗力和军队的士气。
索姆河战役结束后，英国和法国1916年在西线的损失达120万人，德国达到80万人。但索姆河战役显示了协约国在军事和经济方面的优势，从协约国与德国的经济潜力和兵员后备力量的对比来看，协约国的损失显然是值得的。相反，由于英法军队在索姆河战役中牵制了德军的力量，使德国发动的凡尔登战役以失败而告终，大大影响了德军的士气，德国损失的大量精锐部队无法补充，这对德军以后的行动产生了巨大的影响。
索姆河战役证明：在正面一个狭窄地段上，以递进冲击突破阵地防御的理论和实践是行不通的。但这次战役以及西南方面军的进攻的胜利保障了战略主动权从德国转到协约国一方。索姆河进攻促使其他国家装备坦克并发展反坦克兵器。后来，英法军队在1917年康布雷战役中吸取了索姆河的教训。
凡尔登和索姆河战役，以其地狱之火，使双方都流尽了鲜血。法金汉这个消耗战的鼓吹者，成了自己战略的牺牲品。8月下旬，他被解除了参谋总长的职务，新近在东线出尽风头的兴登堡和鲁登道夫接管了德军的指挥权。霞飞的光荣日子也到尽头了。他那倔强的固执和肆无忌惮地干预政务，加上凡尔登和索姆河两大战役，导致了他的下台。法国当局在把他提升为元帅之后，让他解甲归田。但无论是时间的流逝，还是历史的变迁，都从未使他的成就黯然失色。年轻的、反复无常而前程远大的尼维尔将军受命接替了他的职务。
