Разрывая фронт 9-й армии на ее флангах, немецкие войска уже к полудню продвинулись в глубь обороны частей на барвенковском и изюмском направлениях до 20 км и вели бои на южной окраине Барвенково и в районе н/п Голая Долина. В этих условиях командиры соединений и частей 9-й армии проводили бои изолированно, без увязки своих действий с соседями и резервами армии и фронта.

Немцы рвались к Барвенково. До полка пехоты с 14 танками атаковали восьмую роту 442-го полка 106-й стрелковой дивизии. Возглавляемые командиром 8-й роты офицером Минаевским советские воины стойко сражались, отражая яростные атаки врага. Противник, потеряв восемь танков, не добился успеха и во второй половине дня начал обходить роту со стороны Викнино.

К полудню танки противника вплотную приблизились к Барвенково. Здесь немецкие войска были встречены огнем артиллерии 333 сд, оборонявшей город совместно с отошедшими сюда частями 341 сд. В боях за Барвенково исключительный героизм проявили солдаты и офицеры 1-го дивизиона 897-го артполка 333-й стрелковой дивизии.

2-я батарея под командованием старшего лейтенанта Парохина первой встретила танки противника на подступах к совхозу имени Куйбышева вблизи города. Потеряв от огня батареи 8 танков, враг начал обходить совхоз, стремясь прорваться на Барвенково. Здесь колонну танков встретила огнем 1-я батарея. Первыми выстрелами она разбила головной танк. Воспользовавшись замешательством врага, артиллеристы вывели из строя еще девять танков.

Тем временем 2-я батарея успела переместиться на южную окраину Барвенково. Хотя танки противника уже ворвались в город, артиллеристы продолжали бой. Расчет орудия сержанта Сухоноса открыл огонь по двигавшимся на батарею танкам и подбил четыре машины. Остальные повернули обратно. Повторная атака огневой позиции 2-й батареи также была отбита.

3-я батарея успешно отражала наступление пехоты и автоматчиков противника на западной окраине Барвенково.

В боях за этот небольшой городок артиллерия 333 сд подбила и уничтожила 44 вражеских танка. Однако наши части понесли тяжелые потери. Была выведена из строя вся материальная часть 1-го артдивизиона 897 ап и полковая артиллерия 1116 сп. Несмотря на героизм действий отдельных разрозненных частей, ход сражения развивался не в нашу пользу.

К 17 часам противник, сломив сопротивление полка 333-й стрелковой дивизии и частей 34-й кавалерийской дивизии, овладел Барвенково, за исключением северо-западной части, прикрываемой рекой Сухой Торец, где продолжали обороняться части отошедшей сюда 341-й стрелковой дивизии и 1118-й полк 333-й стрелковой дивизии. После этого немцы стали продвигаться на восток, вдоль обоих берегов реки Сухой Торец. 34-я кавалерийская дивизия начала отход к северу от реки Сухой Торец и к исходу дня, совместно с отошедшими подразделениями 106-й дивизии, заняла оборону, преградив вражеским войскам путь на Изюм.

На левом фланге 9-й армии ударная группа немецких войск к 14 часам вышла в район Долгенькая, Голая Долина. Отдельные группы немецких танков и пехоты, посаженной на танки и автомобили, стали распространяться в западном и восточном направлениях, стремясь охватить части 5-го кавалерийского корпуса и захватить переправы через реку Северский Донец. Однако эти намерения противнику осуществить не удалось.

К 17 мая 1942 года 12, 15-я и 121-я танковые бригады 9-й армии имели в строю 52 танка (6 KB, 18 Т-34, 25 Т-60 и 3 трофейных Pz.Kpfw.III). В середине дня, через несколько часов после начала немецкого наступления, связь между 15-й и 121-й бригадами была восстановлена и командование этих соединений в дальнейшем согласовывало свои действия. 12 тбр (2 KB, 8 Т-34) имела связь только со штабом 5-го кавкорпуса.

Танки 121 тбр (3 KB, 8 Т-34, 20 Т-60, 3 Pz.Kpfw.III) были выдвинуты на южную опушку леса восточнее Хрестище и поставлены в засаду. 15-я танковая бригада (1 KB, 2 Т-34, 5 Т-60) получила задачу контратаковать противника в направлении Хрестище — Глубокая Макотыха. Танки и мотопехота вышли на южную окраину Хрестище, соединились с танками 121-й бригады и далее действовали совместно.

Колонна противника из 40 танков и 50 грузовых машин, двигавшаяся на Никольское, была встречена нашими танками и вынуждена свернуть с намеченного маршрута. Затем танки 15-й и 121-й танковых бригад рассеяли другую автоколонну противника южнее Хрестище.

Вступая в бой по собственной инициативе, части 5-го кавалерийского корпуса отбили атаки немцев из района Долгенькой. Попытки противника выйти к переправам через реку Северский Донец были отражены частями 333-й и 51-й стрелковых дивизий.

Штаб Южного фронта узнал о начавшемся наступлении противника лишь во второй половине дня, когда немцы уже завершали прорыв нашей обороны. В штаб Юго-Западного направления об этом было доложено только к исходу дня, когда фронт 9-й армии был повсеместно прорван. На правом фланге в северо-западной части Барвенково продолжали сражаться подразделения 341-й стрелковой дивизии и 1118-й полк 333-й стрелковой дивизии. Далее между Барвенково и свх. Ильичевка образовался разрыв, в котором наших войск не было.

Части правого фланга и центра 57-й армии оставались на прежних рубежах, а на стыке с 9-й армией загнули фланг к северу. На левом фланге 351-й стрелковой дивизии 57-й армии оборонялись отошедшие сюда подразделения 341-й стрелковой дивизии 9-й армии.

На стыке 57-й и 9-й армий также образовался разрыв шириной 20 км, не занятый нашими войсками. В глубине расположения войск 57-й армии, западнее и северо-западнее Барвенково был сосредоточен 2-й кавалерийский корпус полковника Г. А. Ковалева, составлявший резерв главнокомандующего Юго-Западным направлением. В резерве командующего 57-й армией находились два полка 14-й гвардейской стрелковой дивизии. Никаких распоряжений от командования о выдвижении и вводе в бой эти войска не получили, весь день оставались на месте и потому какого-либо влияния на ход событий, происходивших на стыке 57-й и 9-й армий, не оказали. Удаление этих войск от линии фронта к исходу 17 мая составляло 18–28 км.

Авиация противника, поддерживая наземные войска, совершила около 2000 самолето-вылетов. Авиация же Южного фронта в этот день проявила очень малую активность, сделав лишь 67 самолето-вылетов.

Командующий Южным фронтом Р. Я. Малиновский после получения донесений о прорыве противником обороны 9-й армии решил передать командующему 9-й армией 5-й кавалерийский корпус генерал-майора И. А. Плиева из своего резерва и приказал срочно перебросить автотранспортом и по железной дороге из района Лисичанска 296-ю стрелковую дивизию и 3-ю танковую бригаду и подчинить их командующему 9-й армией. Ожидались еще две стрелковые дивизии и две танковые бригады.

По докладу командующего Южным фронтом главнокомандующий Юго-Западным направлением передал ему свой резерв — 2-й кавалерийский корпус — и приказал организовать силами 2-го и 5-го кавалерийских корпусов и 14-й гвардейской стрелковой дивизии (резерва 57-й армии) разгром прорвавшегося противника и восстановить положение.

Однако все эти распоряжения, за исключением касающихся передвижения глубоких оперативных резервов, к исходу 17 мая не могли быть выполнены, так как к этому времени ближайший резерв командующего Южным фронтом — 5-й кавалерийский корпус — уже вел оборонительные бои разрозненными частями. Кроме того, управление войсками командующим 9-й армией было полностью потеряно, и он не мог ни организовать взаимодействие между 57-й и 9-й армиями, ни руководить боевыми действиями своих резервов. Связь штаба фронта с командным пунктом 9-й армии была установлена только к 24 часам 17 мая.