从1943年1月13日至4月3日，大约500,000名红军参与沃罗涅日–哈尔科夫攻势行动。当时大约有6,100,000名红军士兵在东部战线，另外有659,000名伤兵。相比以下，德军共有大约2,200,000人在东部战线，另外有100,000人被部署在挪威，结果于2月初苏军在人数上对德军形成了2对1的优势。但由于补给线过长及在此攻势中伤亡惨重，在曼斯坦因的反攻开始时，德军在数量上占有战略上的优势，包括在坦克的数量上—例如，曼施坦因有350辆坦克，在个别地区对苏军装甲部队形成7对1的优势。

在反攻开始时，曼施坦因可动用第4装甲军团包括第48装甲军及武装亲卫队装甲军，和第1装甲军团包括第40及第57装甲军，第48装甲军由第6、第11及第17装甲师组成。而武装亲卫队装甲军由武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师和第2帝国装甲师组成。2月初武装亲卫队装甲军兵力共大约20,000人，在地理上第4及第1装甲军团在苏军突出部的南面；而第1装甲军团在第4装甲军团以东，武装亲卫队装甲军在苏军突出部的北面，作为南方集团军的北翼。

相对下，德军共有70,000人面对攻向顿河的苏军共210,000人。德国防卫军处于劣势。尤其是德军从1942年6月至1943年2月连续作战数月。当时希特勒任命陆军元帅威廉·凯特尔、马丁·鲍曼及汉斯·霍夫曼组成一个委员会以从不必要的工业中招募800,000名新兵，但是这个招募的效用要到1943年5月后才能发挥出来。到时候德军的兵力将是战争开始以来最强的，达到9,500,000人。

1943年开始时，德军装甲部队已遭受重大损失。很少装甲师能有超过100辆坦克，平均只有70-80辆坦克可以作战。大约在第三次哈尔科夫战役开始时，海因茨·古德里安被任命负责增强德军的装甲兵力。虽然他付出了很大努力，1个德军装甲师只有大约10,000–11,000人，低于正常的13,000–17,000人。到了6月，1个装甲师只能有100-130辆坦克。武装亲卫队装甲师情况较佳，可拥有大约150辆坦克、一营自行火炮及一半可机动化的步兵和装甲掷弹兵—人数大约19,000人。当时虽然武装亲卫队第2帝国装甲师已配备了一定数量的虎式坦克，大部份德军坦克仍以3号坦克和4号坦克居多。

第4装甲军团由赫尔曼·霍特上将指挥，第1装甲军团则由埃贝哈德·冯·马肯森上将率领。第6、第11及第17装甲师分别由瓦尔特·冯·霍纳多尔夫少将、赫尔曼·巴尔克少将及弗里多林·冯·森格尔·翁德·埃特林少将指挥。武装亲卫队装甲军由保罗·豪塞尔中将指挥，他亦同时指挥武装亲卫队第3骷髅装甲师。

当苏军在1月底至2月初开始对南方集团军的攻势时，参战的部队包括布良斯克、沃罗涅日及西南方面军。它们分别由列伊捷尔、菲利普·戈利科夫及尼古拉·费多罗维奇·瓦图京指挥。到1月25日，由康斯坦丁·罗科索夫斯基指挥的中央方面军亦加入进攻。他们的位置如下：戈利科夫的布良斯克方面军在南方集团军的北面，沃罗涅日方面军面对库尔斯克，而西南方面军则面对敌军。中央方面军在布良斯克方面军沃罗涅日方面军之间，用以扩大战果。这2个地方军要击破德国第2装甲军团。2个地方军的兵力共有大约500,000人，其中大约346,000人在德军反攻开始后参与防守哈尔科夫。

与德国人差不多，苏军很多师损耗严重。例如第40军团的师平均只有3,500–4,000人，第69军团的一些师只有1,000–1,500人。有些师只有20–50门迫击炮作火力支援，这种人力和装备的短缺令瓦图京的西南方面军要求增援超过19,000名士兵及300辆坦克。但在1943年战役开始时只有16,000人补充。当曼施坦因开始反攻时，沃罗涅日方面军损失了大量兵力，及前进过多但没有南面的西南方面军掩护其侧翼。

整个行动由1943年2月19日开始至3月15日。原本曼施坦因的计划分成3部份，第1部份是发动进攻以击溃过份延伸的进攻矛头，第2部是收复哈尔科夫，而最后是联同中央集团军在库尔斯克击溃苏军—这最后阶段因苏联春季溶雪及中央集团军不愿意参与而取消。

2月19日 – 3月6日

2月19日，豪塞尔指挥的武装亲卫队装甲军被命令向南前进，作为第4装甲军团进攻的屏障，同时霍利特战役集群则继续牵制突破德军战线的苏军。第1装甲军团被命令向北切断及消灭波波夫的机动部队。德军根据准确情报而掌握苏军的弱点，因而选择他们的进攻路线及在战略上获得人数上的优势。第1及第4装甲军团亦被命令攻击孤军深入的苏军第6军团及第1亲卫军团。从2月20日至23日，武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师切断苏军第6军团的侧翼，封锁通向第聂伯河的道路及成功在萨马拉河包围和消灭一部份苏军，武装亲卫队第2帝国装甲师向东北前进，而武装亲卫队第3骷髅装甲师在2月22日向同一方向推进，这2个师成功的切断了苏军进攻部队的补给线。在2月24日虽然有少部份的苏军士兵突破包围圈向北逃走，第1装甲军团包围了波波夫的机动部队。2月22日，由于德军反攻的成功，苏军最高统帅部命令沃罗涅日方面军将在南面的第3坦克军团及第69军团转往受压的西南方面军，以阻止德军攻占克拉斯诺格勒地区。

苏军第3坦克军团从哈尔科夫南方攻击德军，以阻止曼施坦因的攻势持续。2月24日，德军将大德意志装甲掷弹兵师撤下来，联同第167及360步兵师、1营武装亲卫队第3骷髅装甲师及一部份武装亲卫队第2帝国装甲师防卫苏军突出部的向西正面。从2月24日至27日，苏联第3坦克军团及第69军团继续攻击这部份的德军战线，但没有多大进展，由于补给不继，攻势变得疲弱。2月25日，罗科索夫斯基的中央方面军攻击德国第2军团及第2装甲军团的接合部，在两翼获得进展，但在中路没有获得成功，在攻势开始后，对德军右翼的进攻因德军的顽强抵抗而受阻，同时在左翼过份延伸。

面对德军对西南方面军攻势的成功，包括包围了苏军第6军团，苏联最高统帅部命令沃罗涅日方面军将第3坦克军团转交西南方面军指挥。为了缩短交接时间，第3坦克军团将2个狙击师交给苏军第69军团，及从南面攻击武装亲卫队装甲军。但是由于缺乏燃料及弹药，故第3坦克军团被迫将攻击行动推迟至3月3日。加上因为遭到德国空军的Ju 87俯冲轰炸机的猛烈攻击而面临困难及伤亡惨重。当攻势在3月3日发起后，第3坦克军团辖下的第15坦克军即遇上武装亲卫队第3骷髅装甲师及陷入被动防御，最终第3骷髅装甲师突入第15坦克军战线与其它向北进攻的单位会合，将第15坦克军包围。第3坦克军团辖下的另一支部队第12坦克军也因第3骷髅装甲师与第2帝国装甲师共同切断第3坦克军团的补给线而陷入被动防守。3月5日，进攻的第3坦克军团遭到重大打击，只有少数人向北逃出包围圈及重新组成防线。

波波夫的机动部队的苏军第6军团在德军攻势初期被击溃，在苏军防线上造成很大空隙。鉴于苏军间缺乏合作及各自为战，曼施坦因命令德军攻向哈尔科夫。由3月1日至5日，德国第4装甲军团包括武装亲卫队装甲军前进了80千米（50英里）及距离哈尔科夫以南大约16千米（10英里）。3月6日，武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师在莫什河建立桥头堡，开辟了通往哈尔科夫的道路。曼施坦因的反攻成功迫使苏联最高统帅部命令罗科索夫斯基停止进攻。德国第1装甲军团收复了顿内茨河的防线，曼施坦因开始计划消灭在顿内茨河以西的苏军部队。根据德国人的资料，德军的反攻令苏军估计阵亡23,000人，损失了615辆坦克及352门火炮。

3月7日 – 3月10日

当罗科索夫斯基的中央方面军继续德国第2军团的攻势时，第2军团已因得到数个新师团的增援而大为增强，而德军对哈尔科夫的进攻令他大为震惊。虽然面临春季溶雪，曼施坦因仍然在3月7日命令德军向哈尔科夫进攻，但他却各攻向哈尔科夫西面而不是东面及由北面包围该城。当时大德意志装甲掷弹兵师己重回战线及担任主攻，分割苏军第69军团及第3坦克军团的残部。3月8日至9日，武装亲卫队装甲军转向北面，分割苏联第69军团及第40军团，再在9日转向东面而完成包围，虽然苏联最高统帅部命令第19狙击师及第186坦克旅前往阻击，德军的攻势仍然持续。

3月9日，苏联第40军团向大德意志装甲掷哈尔科夫弹兵师发动反攻，以恢复与第3坦克军团的通讯，但反攻在3月10日因德军的攻势而失败。同一天，第4装甲军团命令武装亲卫队装甲军尽快收复哈尔科夫。司令保罗·豪塞尔命令3个武装亲卫队装甲师立即进攻该城，武装亲卫队第2帝国装甲师由西面、武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警队旗队装甲师及武装亲卫队第3骷髅装甲师从北和西北面实施掩护。虽然霍特命令豪塞尔走回原来计划及因守军顽抗而推迟一天，豪塞尔仍然照其计划进攻。而曼施坦因发出命令包围该城，但豪塞尔不遵照命令及继续以自己计划发起攻击。根据曼施坦因的资料集团军总部曾经数次干预以使武装亲卫队装甲军由东方包围哈尔科夫，而不是正面攻进该城。

3月11日 – 3月15日

3月11日早上，武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师向哈尔科夫北部发动两翼攻击。第2装甲掷弹兵团从西北面进攻，分2纵队沿别尔哥罗德-哈尔科夫铁路向哈尔科夫北部推进。其中第2营在铁路右侧，进攻市内北站区。由于遭遇顽强抵抗，故日落时只推进到北站月台。在铁路的另一边，第1营攻至亚历山大区，遇到一辆T-34型坦克领导的苏军反攻，因而被击退出城外。只在JU-87俯冲轰炸机和突击炮强大的空中及炮火支援下，德军步兵才能再度攻入市内。从城后的一次侧击令德军能在市内建立一个据点。同时，武装亲卫队第1装甲掷弹兵团联同一个独立装甲单位实施进攻，攻下通往别尔哥罗德的公路，及击退了由哈尔科夫机场向其左翼发动之反攻。在击毁一些通过的T-34型坦克后，德军在北部近郊住宅区建立据点；在东北，另一些德军步兵、装甲车及突击炮尝试控制通往丘古耶夫的道路，这进攻深入哈尔科夫市内。但德军因缺乏燃料而要掘壕转取守势。

同一天，武装亲卫队第2帝国装甲师向哈尔科夫西部发动攻击，当推进至市内Zalyutino区时，进攻为反坦克壕沟内配备反坦克炮的守军所阻止。经过一场血战后，苏军的反攻归于失败。该师的一支分遣队向南攻击及切断了通往梅勒伐的公路。大约下午3时，霍特—第4装甲军团指挥官—命令豪赛尔立即率领武装亲卫队第2帝国装甲师与敌脱离接触，代之以部署切断守军撤退的退路；但是豪赛尔却从武装亲卫队第3骷髅装甲师派出一支分遣队以完成该任务，并通知霍特由武装亲卫队第2帝国装甲师进行该任务风险很大。3月11日晚上至12日凌晨，一支德军突然驶过反坦克壕沟为进攻的装甲部队打开缺口，令该处守军大为震惊，这让武装亲卫队第2帝国装甲师进至哈尔科夫主要火车站。至此是该师在市内推进之最远距离。霍特在3月12日凌晨1时15分重复他的命令，而豪赛尔却回复他在3月11日曾经回复过的答复。然而豪赛尔却尊重霍特第三次的尝试，率领武装亲卫队第2帝国装甲师与敌脱离接触，利用武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师打开的通道向哈尔科夫北部推进及部署在该市东部。

警卫旗队广场约亨·派佩尔上校指挥下与第2营在捷尔任斯基广场会合及向南推进，渡过哈尔科夫河及建立桥头堡，打开通向莫斯科公路的道路。兴此同时，该师左翼到达通往沃尔昌斯克的公路和另一条前往丘古耶夫公路的交汇处，在此防守以阻止苏军的反攻。

翌日，武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师向南前往哈尔科夫河及派佩尔的桥头堡，以清除苏军在座大楼里的防守。为隃清除在市中心的守军，第1装甲掷弹兵旅利用通往沃尔昌斯克的公路再次进入市内，同时派佩尔的部队向南突破，与守军残余进行零星战斗及与师团左翼在通往沃尔昌斯克及丘古耶夫的公路交汇处会师。虽然大部份武装亲卫队第2帝国装甲师已离开该城，一个独立的装甲掷弹兵旅仍留在该市西南消灭守军。该旅在日落时清除抵抗，该市三分之二已落入德军手中。

市内的战斗于3月14日转为沉寂，武装亲卫队第1阿道夫·希特勒警卫旗队装甲师在当天清除苏军残余部队之抵抗，向市东部边缘前进。当天日落时，该市完全落入德国人手中。虽然该市已被宣布完全陷落，但战斗在3月15日至3月16日仍然持续，德军在南部工厂区清除最后的残余守军。

德军的顿涅茨克行动令苏军损失了52个师，计70,000 - 80,000人。其中大约45,200阵亡或失踪，另有41,200人受伤。1943年4月至7月，苏联红军需要在这地区重建其部队及准备迎接德军重新发动之攻势，即库尔斯克战役。另，德军的伤亡数字更难统计，但可参考武装亲卫队装甲军的伤亡数字。至3月27日，估计武装亲卫队装甲军损失了44%的兵力，包括大约160名军官及4,300名在役人员。

当武装亲卫队装甲军开攻入市内时，他们攻击市西南面的苏军，包括第17轻骑兵旅、第19狙击师及第25亲卫狙击师。虽然没什么用，不过红军仍曾不断尝试与第3坦克军团的残余重新建立连系。3月14日至15日，他们被准许撤退到北顿涅茨克河。而苏军第40及第69军团在13日已经与大德意志装甲掷弹兵师发生战斗且被分割。哈尔科夫战陷落后，苏军在顿涅茨克河的防线已经崩溃。这使得曼施坦因的部队在3月17日可进攻别尔哥罗德，及在翌日攻占该城。但是，恶劣的天气及疲劳令曼施坦因的反攻被迫停止，虽然这位陆军元帅希望攻击在攻占哈尔科夫及别尔哥罗德时形成的库尔斯克突出部。

随同德军在哈尔科夫的胜利，希特勒面临两个选择：第一，“反击方法”是苏军必然重新发动的攻势及实行与在哈尔科夫相类似的行动－容许苏军攻入来、自己后撤、再反攻及包围敌人；第二，或是“先发制人的方式”，由南方集团军及中央集团军联合对库尔斯克突出部实施大规模进攻；最终，希特勒选择了先发制人的方式，导致库尔斯克战役爆发