В течение ночи все части «Дойчланда» и средства усиления собрались в Перещепино. Сюда же подтянулись части второго панцер-гренадерского полка дивизии «Рейх». До Ново-Московска оставалось менее 40 километров. Уже в 5.00 утра 20 февраля наступление продолжилось. Впереди двигался 3-й батальон полка «Фюрер», который занял место 3-го батальона «Дойчланда» на острие наступления. Это был батальон дивизии СС «Рейх» на полугусеничных бронетранспортерах Sd.Kfz.251, идентичный по своей структуре и возможностям батальону Иоахима Пайпера из «Лейбштандарта». Батальон Винценца Кайзера был усилен дивизионом штурмовых орудий и несколькими 105-мм самоходными гаубицами «Веспе». Первой «жертвой» наступления стала деревня Губиниха. САУ «Веспе» расположились на соседних высотах и взяли Губиниху под обстрел. На позиции советских войск обрушился шквал 20-мм снарядов зениток, огонь 75-мм штурмовых орудий StuG III, под прикрытием которых в атаку двинулись бронетранспортеры Кайзера. Уже в 6.50 20 февраля Губиниха была захвачена. Контратака советских частей с целью возврата Губинихи была отбита. Пока гренадеры Кайзера отражали контратаки, на острие наступления был вновь выдвинут 3-й батальон «Дойчланда», который двинулся к Ново-Московску и уже в 14.00 установил контакт с 86-м пехотным полком 15-й пехотной дивизии северо-западнее этого населенного пункта. Тем временем мотоциклетный батальон осуществлял фланговое прикрытие действий дивизии «Рейх». Батальону было придано несколько танков, которые с десантом «спешившихся» мотоциклистов на броне произвели несколько контратак. Задачей батальона было прикрытие дорогие Красноград — Перещепино.

Глубокий обход 15-го стрелкового корпуса не обескуражил командование 6-й армии. Контрудары во фланг к тому времени перестали вызывать шоковое состояние у советских командармов. Генерал-лейтенант Ф. М. Харитонов решил парировать его своими силами, одновременно продолжая выполнение основной задачи армии. Парировать фланговое вклинение должны были 106-я стрелковая бригада и 6-я стрелковая дивизия. Они должны были атаковать Перещепино — первая с запада, а вторая — с востока. Охваченной с тыла 267-й стрелковой дивизии вместе с 16-й танковой бригадой было приказано атаковать Ново-Московск с запада. Аналогичную задачу должен был решить 4-й гвардейский стрелковый корпус. Ему ставилась задача продолжить операцию по овладению Ново-Московском. 25-й танковый корпус получил задачу прорваться к Запорожью и захватить мосты через Днепр. 1-й гвардейский танковый корпус должен был к исходу 21 февраля овладеть Синельниково.

В течение 20 февраля эсэсовцы дивизии «Рейх» отбивали многочисленные атаки на Перещепино и Ново-Московск, сами часто переходили в контратаки. Немецкая авиация группами по 15–20 самолетов наносила последовательные удары по советским войскам. В отдельные дни она совершала более тысячи самолето-вылетов. В то же время действия 17-й воздушной армии Юго-Западного фронта носили эпизодический характер. Это объяснялось прежде всего трудностями с ее базированием, так как противник, отступая, разрушил аэродромы. Вот почему авиационным соединениям и частям приходилось действовать на предельных радиусах полета.

К вечеру 20 февраля эсэсовцы контролировали всю местность вокруг Ново-Московска. Следующей задачей дивизии «Рейх» стала железная дорога между Ново-Московском и Синельниково. Она должна была быть возвращена для использования в качестве коммуникации снабжения. Части «Тотенкопфа» все еще двигались по дороге из Краснограда в Перещепино, и солдаты «Рейха» вновь должны были действовать в одиночку. Потери в ходе 75-километрового марша из Краснограда оценивались как умеренные. В танковом полку числились боеспособными 27 Рz.Крfw.III, 8 Pz.Kpfw.IV и 3 командирских танка.

Немецкое наступление постепенно набирало обороны. Основные силы «Тотенкопфа» (исключая задействованный в создании заслона к западу от Харькова полк «Туле») сосредоточились в Краснограде 20 февраля. Серьезно оторвался от главных сил дивизии только 1-й батальон танкового полка, находившийся на марше из Полтавы. Утром 21 февраля командир дивизии Эйхе получил приказ в штабе 2-го танкового корпуса СС в Краснограде. Дивизия должна была пройти маршем до Перещепино. Далее танковый полк и панцер-гренадерский полк дивизии СС «Тотенкопф» должны были атаковать Павлоград с севера, поддерживая наступление дивизии «Рейх». Первая часть соединения Эйхе, достигшая Перещепино, была 3-м батальоном полка из «Тотенкопфа», который вошел в Перещепино в 18.00 21 февраля. Наибольшие трудности в продвижении на исходное положение для наступления испытывал танковый полк дивизии. Не имевшие опыта движения по российским дорогам водители танков двигались очень медленно. Это привело к тому, что единственный участвующий в наступлении комплектный танковый полк долгое время не вводился в бой, а «месил грязь» на дорогах.

Не дожидаясь подхода частей «Тотенкопфа», возглавляющая немецкое наступление панцер-гренадерская дивизия «Рейх» ночью 21 февраля начала движение в направлении Павлограда. Поскольку дивизии не требовалось прорывать прочную оборону, немцами постоянно производилась ротация батальонов на острие удара. Если предыдущее наступление возглавил 3-й батальон полка «Фюрер», то в 3.00 21 февраля на исходные позиции для атаки вышел 2-й батальон того же полка, поддержанный батальоном штурмовых орудий соединения. Командовал 2-м батальоном полка «Фюрер» Сильвестр Штадлер. Впоследствии именно он возглавил весь полк.

Первой задачей атакующих гренадеров Штадлера был захват мостов через реку Самару в районе Ново-Московска. Эту проблему решили совместной атакой с фронта и тыла. Первая проводилась силами поддержанного штурмовыми орудиями StuG III батальона, а вторая — форсировавшими реку на «швиммвагенах» (плавающих штабных автомобилях) пехотинцами. Немцам удалось прорваться через боевые порядки 101-го гвардейского стрелкового полка 35-й гвардейской стрелковой дивизии и уже к 10.00 выйти к Павлограду. Командир полка «Фюрер» Кумм назначил атаку на 13.00. Она должна была начаться с удара с воздуха по позициям советских войск в Павлограде. Атака началась точно в назначенное время. Три волны пикирующих бомбардировщиков обрушились на город. Затем на окутанные дымом позиции двинулись гренадеры при поддержке подтянувшихся танков дивизии «Рейх». К 16.00 вся южная часть города была в руках наступающих. Бои продолжились за северную часть Павлограда. В судьбе боя за Павлоград 21 февраля существенную роль сыграл тот факт, что части «Тотенкопфа» не успели выдвинуться к городу и «Рейх» действовал, по сути, в одиночку, одновременно решая задачу прикрытия фланга наступления. Контратакой частей 4-го гвардейского стрелкового корпуса при поддержке 17-й танковой бригады к 23.00 Павлоград был очищен от противника. Однако удержать город не удалось, и к утру 22 февраля полк «Фюрер» установил контроль над большей частью Павлограда.

К 21 февраля командующий 6-й армией генерал-лейтенант Ф. М. Харитонов уже начал оценивать положение как серьезное и направил 1-й гвардейский танковый корпус на «уничтожение прорвавшегося противника в Павлоград». Однако остальные соединения 6-й армии должны были наступать. 25-й танковый корпус по-прежнему нацеливался на Запорожье.

Общая обстановка была все еще крайне неустойчивой, не дававшей решительного преимущества ни одной из сторон. Выдвижение частей «Тотенкопфа» было вновь задержано. Отрезанная 106-я стрелковая бригада организовала атаку на Перещепино, которая хотя и была отбита, но задержала выдвижение на юг 3-го батальона полка «Тотенкопф». Только в 11.30 он был сменен 1-м батальоном того же полка и выдвинулся по «следам» дивизии «Рейх» в Губиниху. Достигнув населенного пункта, он повернул на параллельный движению «Рейха» к Павлограду маршрут. Одновременно дивизия Эйхе выстраивалась частью своих сил фронтом на восток. Для этого были задействованы 3-й панцер-гренадерский полк и разведывательный батальон соединения. Танковый полк «Тотенкопфа» по-прежнему боролся с тяжелыми дорожными условиями, безнадежно отстав от пехоты. Несколько танков вышли из строя вследствие столкновения друг с другом на ледяной дороге. Уныло двигавшаяся по дороге колонна танков ко всем прочим неприятностям подверглась в Перещепино атакам 106-й стрелковой бригады.