扎波罗热两市接近地，造成了分割德军整个东线的威胁。德军统帅部指望通过撤退顿巴斯驻军、从西部调遣预备队和为转入反攻建立突击集团来挽救危局。它准备首先粉碎进逼第聂伯河的西南方面军，将其逐过北顿涅茨河，随后对哈尔科夫地域的沃罗涅日方面军实施突击，重新夺取哈尔科夫、别尔哥罗德。此后，拟从南面别尔哥罗德、北面奥廖尔，向库尔斯克总方向实施相向突击，重创在这一地域行动的苏军。

苏军在哈尔科夫的进攻一切都在按苏军的计划进行，但苏军已逐渐陷入了德军的陷阱中。在苏联进攻开始后，曼施坦因就开始计划德军的反击计划，他决定首先以撤退来拉长苏军的补给线，当苏军的兵力拉长以后，他将以精锐的第1党卫装甲军为主力，首先击破苏军西南方面军(第6、近卫第1、突击第5集团军、坦克第3和第5集团军，司令为马利诺夫斯基上将)，然后再向北转，击破沃罗涅日方面军(司令为戈利科夫上将)。为了诱敌深入，德军放弃了许多地方，而为了能逐个击破苏军，也为了为集结兵力赢得时间，在北面的德军将作坚决地抵抗。在苏军不断进攻中，苏军的战线越拉越长，而德军却趁机完成了兵力的集结。预定由2月13日组建的“南方”集团军群(第4集团军、党卫军装第1甲军—党卫军第1“阿道夫·希特勒亲卫队”和第2“帝国”装甲师、“肯普夫”战役集群和“霍利特”战役集群，司令为陆军元帅曼斯坦因)实施反攻，该集团军群至2月18日前共辖30个师，内13个坦克师和摩托化师。第4航空队实施支援。德军以党卫军第1“阿道夫·希特勒亲卫队”装甲师和“大德意志”装甲掷弹兵师为主力继续拖住沃罗涅日方面军，以党卫军第2“帝国”装甲师和党卫军第3“骷髅”装甲师为北集团，以第4装甲集团军第48装甲军(第7和第11装甲师、党卫军第5“维京”装甲师)为南集团。

苏德战争中，计划规定：西南方面军分南北两路从巴尔文科沃突出部和沃尔昌斯克地域对哈尔科夫实施向心突击，粉碎德军哈尔科夫集团，解放哈尔科夫，为向第聂伯罗彼得罗夫斯克发展进攻创造条件；南方面军坚守巴尔文科沃突出部南正面，以保障西南方面军主要突击集团翼侧。德军哈尔科夫集团是南方集团军群第6集团军（司令为F.保卢斯上将）。当时，该集团军与克莱斯特集群（辖第17集团军和第1装甲集团军）正在准备代号为“腓特烈一世”的进攻战役，企图攻占北顿涅茨河以西、哈尔科夫东南地区。双方兵力大致相当。

5月12日，苏军西南方面军发起进攻，各突击集团三日内突破德军防御：第28集团军从沃尔昌斯克地域向前推进18--25公里，第6集团军和L.V.博布金少将指挥的集团军级战役集群从巴尔文科沃突出部向前推进25--50公里，为快速兵团投入战斗创造了有利条件。但铁木辛哥被所谓兹米约夫地域有德军装甲重兵集团的情报所迷惑，直至5月17日才命令第21坦克军进入战斗。由于苏军进展迟缓，德军得以从其他方向抽调预备队封闭突破地段，并在巴尔文科沃突出部底部南方面军第9集团军当面建立了强大突击集团。为解除德军第6集团军的压力，克莱斯特集群于5月17日提前一天发起“腓特烈一世”进攻行动，出动14个师进攻南方面军。同时，德军从南北两面对苏军第28集团军两翼实施反突击。

5月19日，铁木辛哥命令部队在巴尔文科沃突出部转入防御。23日，克莱斯特集群与德军第6集团军在巴拉克列亚以南会合。29日，苏军第6、第9和第57集团军主力被围歼。据德方资料，苏军被俘近24万人，损失坦克1249辆、火炮和迫击炮2026门。苏军在哈尔科夫的失败使西南方向的形势进一步恶化。其失败的主要原因是：错误判断战略战役形势，协同不周，保障不力，指挥失误，快速部队进入战斗过迟等。

1943年2月19日，德军对顿巴斯西南方面军的右翼发起反攻，使苏军西南方面军遭到了重创，至3月2日，突击第5集团军(司令为波波夫中将)遭到了毁灭，迫使西南方面军在前几次进攻战斗中受到削弱的兵团于3月3日退至北顿涅茨河对岸。这就使沃罗涅日方面军的战役态势大为恶化，该方面军当时正以左翼军队实施哈尔科夫进攻战役。其左翼已成暴露翼侧。德军“南方”集团军群指挥部变更了军队部署，在哈尔科夫西南地域沃罗涅日方面军左翼第40(司令为莫斯卡连科中将)、69集团军(司令为卡扎科夫中将)，坦克第3集团军(司令为雷巴尔科中将)。当面建立了强大的军队集团(坦克第4集团军和“肯普夫”战役集群)。沃罗涅日方面军各兵团在前几次进攻战斗中也遭到很大损失，各坦克部队共有70辆坦克，没有预备队，油料、弹药和武器装备不足，后方拉长到250—300公里。德军人员比苏军多1倍，炮兵多1.6倍，坦克多10.4倍，飞机多2倍多。

苏军为了挽救危机，苏联最高统帅部大本营下令把沃罗涅日方面军左翼的坦克第3集团军和第69集团军转交西南方面军，他们从2月23日起，不断攻击德军左翼，但进展甚微。在击败西南方面军后，德军主力转向北方，首当其冲的第3坦克集团军立刻陷入包围之中。鉴于所形成的情况，苏军沃罗涅日方面军于3月3日停止进攻，在全地带转入防御。3月4日，德军坦克第4集团军对总共只有50辆坦克的坦克第3集团军实施突击。苏军虽进行了顽强抵抗，但无法抵挡德军强大的进攻。至3月5日，除了第6近卫骑兵军以外，坦克第3集团军基本被消灭。3月6日，德军开始了向哈尔科夫的进攻，德军将主要突击方向转移到第69集团军和坦克第3集团军的接合部，于次日在此将“劳斯”军投入交战。3月10日，第69集团军和坦克第3集团军之间出现了一个60公里的缺口。苏军由于兵力不足，无法封闭这一缺口。3月10日，德军从南面进逼博戈杜霍夫，从北面突向坦克第3集团军防守的哈尔科夫。3月14日，德军合围该市。苏军被迫放弃哈尔科夫，于3月17日凌晨突围，退至北顿涅茨河左岸。坦克第3集团军残部转隶西南方面军。从3月17日起，德军从西、南两面对别尔哥罗德展开进攻，并于3月18日夺取该市。

为了防止战线的彻底崩溃，3月6日，苏军高统帅部大本营中止了计划中在列宁格勒的进攻，将坦克第1集团军(司令为卡图科夫坦克兵中将)南下，集中在奥博扬地域。第64集团军(从斯大林格勒附近调来，司令为舒米洛夫中将)和第21集团军(从中央方面军调来，司令为奇斯佳科夫中将)也被调至这些方向。由于这些部队最快也只能在3月下旬赶到，而当时哈尔科夫东面只有第1近卫骑兵军一个部队，但正是他们顽强地进行了3天的阻击战，使苏军得到了集结兵力的时间，在接下来的几天中，苏军得以投入了西南方面军和沃罗涅日方面军的预备队—第2和第3近卫坦克军和步兵第203、167、113师。此时，德军在集战后已疲惫不堪，由于兵力有限，缺乏预备队，德军不得不以击溃苏军进攻部队的同一支部队进行追击。致使德军连续作战，部队极度疲劳，德军的进攻越来越弱，随着苏军援兵的赶到和泥泞季节的开始，德军的进攻被迫中止。

由于苏军最高统帅部大本营采取了措施，从南面通向库尔斯克的方向得到了可靠的掩护。沃罗涅日方面军在防御交战过程中退却100—150公里后，于3月25日将德军阻于克拉斯诺波利耶、别尔哥罗德一线及沿北顿涅茨河至丘古耶夫一线，在此构成了所谓库尔斯克突出部的南正面。一场规模宏大的战役即将开始了。

在整个哈尔科夫战役中，苏军共损失240030人，坦克和自行火炮1345辆，大炮5291门，飞机417架，德军也损失较大。德军曼斯坦因元帅使用诱敌深入的办法，重创苏军，从而暂阻止了苏军的进攻，对南方战线的暂阻稳定起了重要作用。苏军两个方面军的司令员戈利科夫和马利诺夫斯基在战役的最后阶段对德军企图的判断错误和对己方军队力量和能力估计过高，都产生了消极的影响。战略预备队的作用在战役中显得尤为重要，苏军因没有强大的战略预备队而遭到沉重打击，德军也因没有强大的战略预备队而未能全歼苏军。苏联的西方盟国不顾苏联最高统帅部关于加紧作战的请求，在2、3月间实际上停止了在北非的积极行动，致使德军能从其他战区向东线调遣兵力，这也有颇大关系。