Утром 12 мая советские войска перешли в наступление, упредив на пять суток противника. За три дня они продвинулись в районе Волчанска до 25 километров, а юго-восточнее Харькова – на 50 километров. 15 мая создались благоприятные условия для развертывания успеха с Барвенковского выступа. В полосе 6-й армии можно было ввести в прорыв подвижные войска (21-й и 23-й танковые корпуса) в целях окружения вражеской группировки. Но командование Юго-Западного фронта, введенное в заблуждение данными разведки о сосредоточении в районе Змиева крупной танковой группировки неприятеля и ожидая более выгодной обстановки, ни 15, ни 16 мая этого не сделало.

Между тем к этому времени противник в районе Волчанска усилил свои войска, перебросив туда дополнительно несколько дивизий. Он достиг превосходства над 28-й армией и заставил ее перейти к обороне. Ему также удалось добиться равновесия в силах в полосе 6-й армии генерала А. М. Городнянского и 38-й армии генерала К. С. Москаленко. И только 17 мая – с большим опозданием, когда стрелковые дивизии уже истощили свои силы и резко снизили темп наступления, командование Юго-Западного фронта ввело в сражение подвижные войска – 21-й танковый корпус и вторые эшелоны. Но момент был упущен.

Отсутствие активных наступательных действий на других участках фронта позволило немцам беспрепятственно перебрасывать свои резервы с других направлений и уже закрепиться на тыловых рубежах, из-за чего нашим подвижным соединениям пришлось преодолевать заранее подготовленную оборону врага.

Командование Юго-Западного направления предполагало, что противник после ввода в сражение пяти танковых корпусов и пехотных дивизий не имеет необходимых сил для действий в районе Харькова. Однако уже к 16 мая враг завершил подготовку к наступлению против 57-й и 9-й армий Южного фронта.

Соединения этих армий действовали на широком фронте, в полосе до 180 километров. Их оборона, построенная по системе опорных пунктов, имела глубину всего 3–4 километра. Для существенного усиления этих армий у командования Южного фронта не было средств.

К 17 мая командование немецких войск сумело у основания Барвенковского выступа превратить армейскую группу Клейста в сильную ударную группировку против 9-й армии Южного фронта. В результате перед нею эта группировка, сосредоточенная в районе городов Краматорск и Славянск, приобрела значительное превосходство в силах: в пехоте в 1,5, в артиллерии в 2 и в танках в 6,5 раза. А командование наших Юго-Западного и Южного фронтов недооценило это и опасность возможного удара группы Клейста по 9-й армии и не приняло соответствующих мер.

В тот же день 17 мая мощная ударная группировка Клейста неожиданно перешла в наступление в полосе 9-й армии и к вечеру продвинулась на север на глубину до 20 километров. Таким образом ей удалось выйти в тыл главной ударной группировки наших войск на Барвенковском выступе. Одновременно немецкие войска нанесли контрудары с севера и юга по флангам 28-й армии. Создалась угроза окружения нашей главной ударной группировки. Нависла реальная угроза над тылами 57-й армии и всей ударной группировкой. При этом войска Юго-Западного фронта продолжали наступать на Харьков, что крайне осложнило обстановку.

Командующий Южным фронтом на усиление 9-й армии передал из своего резерва 5-й кавалерийский корпус, одну дивизию и одну танковую бригаду. Главнокомандующий Юго-Западным направлением подчинил Южному фронту 2-й кавалерийский корпус и потребовал организовать контрудар. В это же время часть сил 38-й армии перебрасывалась для создания обороны южнее Изюма. Осуществить же всю эту перегруппировку командующий Южным фронтом не мог: связь его со штабом 9-й армии и кавалерийскими соединениями была нарушена.

Вечером 17 мая Военный совет Юго-Западного направления донес в Ставку, что для удержания Барвенковского плацдарма необходимо основательно укрепить Южный фронт. Ставка выделила силы, но они могли прибыть к месту боевых действий не ранее 20–21 мая. Сложившаяся обстановка настоятельно требовала прекратить дальнейшее наступление Юго-Западного фронта и совместно с Южным фронтом ликвидировать прорыв немецко-фашистской группировки. Главком направления С. К. Тимошенко ограничился тем, что приказал для нанесения контрудара перебросить на полосы 6-й армии два танковых корпуса и одну дивизию. Этого оказалось недостаточно для ликвидации нараставшей опасности. Исполняющий обязанности начальника Генерального штаба А. М. Василевский, учитывая, что вблизи происходящих событий нет резервов Ставки, внес предложение о немедленном прекращении наступления. Верховный главнокомандующий после переговоров с Военным советом Юго-Западного направления, высказавшимся за продолжение успешно начатого наступления на Харьков с одновременным отражением удара краматорской группировки противника, отклонил предложение Генерального штаба.

Между тем 18 мая обстановка на Барвенковском выступе еще более обострилась: в тот день немцы, продвинувшись с юга (от района Краматорска и Славянска) на север на 40–50 километров, достигли Северского Донца возле поселка Петровское, находящегося в 26 километрах западнее Изюма. А. М. Василевский снова поставил перед Ставкой вопрос о прекращении наступления. Однако и на этот раз предложение было отклонено по настоянию командования Юго-Западного направления. Лишь во второй половине дня 19 мая, когда создалась явная угроза окружения 6-й, 57-й армий и армейской оперативной группы генерала Л. В. Бобкина, командование направления приняло решение приостановить наступление на фронте 6-й армии, закрепиться на достигнутых рубежах, вывести из боя основную группу войск, перебросить 23-й танковый корпус на помощь Южному фронту и концентрическим ударом 6-й, 57-й и 9-й армий разгромить прорвавшиеся в их тылы вражеские войска. Ставка утвердила это решение. Но остановить продвижение противника на север не удалось. 9-я армия, потерпев тяжелое поражение – потеряв большую часть своего личного состава пленными и убитыми, отошла на север за Северский Донец.

23 мая немецкие 6-я армия, наступавшая с севера, и ударная группировка Клейста, наносившая удар с юга, соединились в районе 10 километров южнее Балаклеи, полностью окружив 6-ю и 57-ю армии и группу генерала Л. В. Бобкина и не дав им этим возможность отхода за Северский Донец.

В дальнейшем окруженные войска объединились в ударную группу «Юг» во главе с генерал-лейтенантом Федором Яковлевичем Костенко, являвшимся заместителем командующего Юго-Западным фронтом. При этом, оказавшись полностью изолированными от войск фронта, окруженные части вели тяжелую борьбу с превосходящими силами врага, при полном его господстве на воздухе и испытывая острый недостаток боеприпасов, горючего и продовольствия. Борьба продолжалась с 23 по 29 мая. В этот период множество бойцов и командиров, в том числе генералы К. П. Подлас, Ф. Я. Костенко, А. М. Городнянский и Л. В. Бобкин, погибли, причем первые трое предпочли застрелиться, нежели попасть в плен к немцам. А у генерала Л. В. Бобкина погиб еще и его 15-летний сын, которого он накануне не эвакуировал в тыл.

Командование Юго-Западным фронтом предприняло попытку прорвать фронт окружения ударом извне силами 38-й армии. Однако она оказалась по существу неудачной. Но все же благодаря ей из района западнее села Лозовенька, где 27 мая сосредоточились наиболее боеспособные части, составившие ядро ударной группы, 22 тысячи человек в ночь на 28 мая пробились из окружения, к утру вышли в район деревень Волвенково и Волобуево и переправились на левый берег Северского Донца.