15 августа сосредоточенные удары в районе Безлюдовка продолжились. 5-я воздушная армия повысила активность своих соединений, выполнив за день 659 самолето-вылетов, на 100 вылетов больше, чем в предыдущий день. В первую очередь это касалось ударной авиации. Так, экипажи 1-го бак совершили в два раза больше вылетов, чем в предыдущий день — всего 206 самолето-вылетов. В этот день к бомбардировщикам И. С. Полбина присоединились и штурмовики 1-го шак. Число их вылетов 15 августа, в основном на фронте 57-й армии, составило соответственно 162 самолето-вылета. Штурмовики нанесли два массированных удара, 4 группами по 9–12 самолетов вдоль всего берега реки Уды от Безлюдовки до Красной Поляны. Потери в этих налетах были минимальны, составив по 3 Пе-2 и Ил-2. При этом все штурмовики смогли дотянуть до своей территории, совершив вынужденную посадку.

Немецкие истребители из состава III/JG52, в связи с начавшимся наступлением войск Юго-Западного фронта, теперь вынуждены были действовать не только под Харьковом, но также и против 17-й воздушной армии. Тем не менее двум знаменитым асам эскадры Эриху Хартманну и Вальтеру Крупински удалось 15 августа увеличить свой счет, сбив два Пе-2 из состава 1-го бак. Кроме того, в районе Харькова появились и «фокке-вульфы» из I/JG51. На два сбитых Пе-2 претендовал пилот 2-го отряда этой группы Хорст Хазе (Horst Haase). Впрочем, потеря 2–3 самолетов на 206 самолето-вылетов бомбардировочного корпуса погоды не делала.

Немецкое командование, понимая важность борьбы в районе Безлюдовки, бросило сюда во второй половине 16 августа свои бомбардировщики Ju-87 и He-111. Прикрытие этого района осуществляли истребители 240-го иап 302-й иад, проведшие за четыре неполных часа два напряженных воздушных боя. В 16:20 10 Ла-5, ведомые капитаном Ф. Г. Семеновым (Герой Советского Союза с 4.2.44) атаковали 14 He-111 ив результате 15-минутного боя расстроили боевой порядок бомбардировщиков, не сбив при этом ни одного «хейнкеля». В 18:55 в районе Рогань группа того же Ф. Г. Семенова провела схватку с 10 Ju-87 и подошедшей вскоре еще одной группой пикировщиков, прикрытых большим числом истребителей. В результате боя младшие лейтенанты И. Н. Кожедуб и В. Ф. Мухин (Герой Советского Союза с 23.2.45) записали на свой счет Ju-87 и He-111. В бою был подбит младший лейтенант Б. В. Жигуленков (Герой Советского Союза с 26.10.44).

В результате мощных налетов авиации 14–15 августа сопротивление противника южнее и юго-восточнее Харькова удалось сломить. К 17 августа войска 57-й армии смогли очистить северный берег Уды, захватив Васищево и Терновую. Однако форсировать Уды и захватить Безлюдовку им, несмотря на все усилия, так и не удалось.

С 18 августа начались завершающие бои в районе Харькова. Основная роль в них снова отводилась 53-й и 57-й армиям, для поддержки наступления которых экипажи 5-й воздушной армии совершили 797 самолето-вылетов. С началом советского наступления воздушная обстановка в районе Харькова резко обострилась. Документы 1-го шак отмечают, что истребители противника, действуя группами 10–12 машин, оказывали активное противодействие в воздухе. Патрулирование над полем боя и над дорогами, по которым эвакуировались войска, велось непрерывно.

Штурмовики 1-го шак совершили за 18 августа 221 самолето-вылет, потеряв от атак вражеских истребителей 6 Ил-2, один из которых совершил вынужденную посадку. Кроме того, был потерян один Як-1 203-й иад. Все потерянные штурмовики входили в состав группы из 18 Ил-2 667-го шап 292-й шад майора Рымшина. Нанося удар по южным окраинам Харькова в районе Бабай и Ржавец, в полосе наступления 57-й армии, они на первом же заходе подверглись атаке 6–8 FW-190. Не обращая внимания на немецкие истребители, майор Рымшин развернул свои штурмовики в повторную атаку. По наблюдениям экипажей, количество атакующих истребителей в это время достигло 25–30 штук. Большинство «фокке-вульфов» заходило в атаку снизу сбоку, но наиболее агрессивные немецкие пилоты производили атаку в лоб. В результате этого боя на свой аэродром не вернулось 6 штурмовиков, а еще 10 получили повреждения различной степени тяжести. Сбитым оказался и ведущий группы майор Рымшин, который смог совершить вынужденную посадку, вернувшись в полк на связном У-2. Отметим, что противниками советских пилотов в этом бою были истребители из I/JG54.

18 августа силу ударов немецких истребителей могли ощутить на себе не только штурмовики, но и экипажи пикировщиков 1-го бак. События дня еще раз напомнили экипажам «пешек», что нарушение строя и потеря огневого взаимодействия чреваты чувствительными потерями. Так, оторвавшееся от девятки 804-го бап, после нанесения бомбардировочного удара по станции Мерефа, одно из ведомых звеньев тут же подверглось атаке четверки немецких истребителей, атаковавших сверху сзади и снизу сзади и сбивших два краснозвездных бомбардировщика. Авторами побед стали гауптман Хайнц Ланге (Lange Heinz) и лейтенант Курт Леффрер (Löffrer Kurt).

Несмотря на усилия авиаторов 5-й воздушной армии, решающего успеха 18 августа добиться не удалось. Войска 53-й армии с большим трудом продвигались вперед. Атаки 57-й армии в направлении Безлюдовка не дали и вовсе никакого результата. По результатам тяжелого дня 18 августа генерал И. С. Конев принял решение уплотнить боевые порядки армий И. М. Манагарова и H. A. Гагена за счет соседних 69-й и 7-й гвардейской армий. Высвободившиеся силы (48-й стрелковый корпус 69-й армии и две стрелковые дивизии 57-й армии) должны были быть задействованы на главных направлениях ударов на Коротич и Мерефу.

20 августа войска 53-й армии овладели Пересечной, предварительно очистив в ходе тяжелых двухдневных боев от противника лесной массив северо-западнее Харькова. Вскоре части И. М. Манагарова завязали бои за Коротич. Это позволило перейти в наступление правому флангу 69-й армии. Кроме того, 20 августа на захваченных 53-й армией рубежах начала сосредотачиваться 5-я гвардейская танковая армия, последний резерв командования Степного фронта. Армия П. А. Ротмистрова получила приказ нанести короткий мощный удар на Коротич, прорвать оборону противника, стремительно выйдя в район Мерефа, соединившись с войсками 57-й армии.

Отметим, что, несмотря на ряд концентрических ударов, нанесенных в течение 20–22 августа корпусами И. С. Полбина и В. Г. Рязанова перед фронтом 57-й армии, добиться решающего успеха здесь также не удалось. Армия Н. А. Гагена заняла Безлюдовку лишь 23 августа, когда противник уже эвакуировался из Харькова. Тем не менее частям 57-й армии удалось форсировать Уды южнее Безлюдовки. Войска генерала H. A. Гагена вышли на подступы к населенному пункту Константиновка, находящемуся всего в 14 километрах восточнее Мерефы, однако их успех остался невостребованным.

Как видно, в заключительных боях в районе Харькова приняли участие еще недавно дравшиеся на Орловской дуге I/JG51 и I/JG54. Отметим, что чехарда с перебазированиями немецких истребительных групп продолжалась. В связи с тяжелой обстановкой IV/JG51 была переброшена в полосу Юго-Западного фронта, I/JG52 действовала в районе Миуса против войск Южного фронта. В результате на заключительном этапе боев за Харьков приняли участие I/JG51, I/JG54 и III/JG52. Однако последняя уже 19 августа в связи с кризисом, возникшим на фронте 6-й армии, срочно перебазировалась на аэродром Кутейниково.