Управление артиллерией в основном было возложено на начальников артиллерии дивизий. Большая часть танков, имевшихся во фронте (560 из 925), была выделена для непосредственной поддержки пехоты. Управление авиацией было децентрализовано. Она вся была распределена между армиями. Это обстоятельство отрицательно сказалось на использовании авиации в ходе операции.

Немецкое командование в этот период также приступило к подготовке операции с целью ликвидации нашего барвенковского выступа и захвата плацдарма на левом берегу Северного Донца.

Ликвидацию барвенковского выступа советских войск противник предполагал осуществить путем нанесения двух ударов по сходящимся направлениям — одного из района Балаклеи на юг силами 6-й немецкой армии и другого из района Славянска, Краматорска в северо-западном направлении силами армейской группы «Клейста».

6-я немецкая армия, действовавшая против Юго-Западного фронта, на 11 мая 1942 г. имела в своем составе 14 пехотных и две танковые дивизии. Кроме того, против левого фланга Юго-Западного фронта действовала одна пехотная дивизия из армейской группы Клейста. Таким образом, перед Юго-Западным фронтом противник имел всего семнадцать дивизий.

Войска Юго-Западного фронта к началу операции превосходили противника по живой силе, артиллерии и танкам в 1,5— 2 раза. По количеству авиации силы примерно были равны.

На южном же фасе барвенковского выступа, т. е. в полосах обороны 57-й и 9-й армий Южного фронта, противник превосходил наши войска по пехоте в 1,3 раза, по танкам в 4,4 раза, по артиллерии в 1,7 раза.

Следовательно, в сложившейся к началу наступления обстановке существовала угроза удара противника со стороны Славянска в тыл группировке Юго-Западного фронта, наступавшей на Харьков. Это требовало прочного обеспечения наступления ударной группировки с юга, а также неослабного внимания нашей разведки за действиями противника с целью своевременного раскрытия его замыслов.

Утром 12 мая ударные группы Юго-Западного фронта перешли в наступление. Оборона 6-й немецкой армии как северо-восточнее, так и юго-восточнее Харькова была прорвана. За три дня боев войска фронта продвинулись из района Волчанска на 25 км и из барвенковского выступа — на 20—30 км. Утром 17 мая вторые эшелоны армий были введены в бой. Противник, завершив перегруппировку своих сил, 17 мая сам перешел в наступление из района Краматорска против 9-й армии и из района Харькова и Белгорода против 2в-й армии.

К этому времени немецко-фашистское командование сосредоточило в районе Краматорска против нашей 9-й армии ударную группировку в составе двух танковых, одной моторизованной и восьми пехотных дивизий, т. е. силы, примерно втрое превосходившие численность 9-й армии. Против 57-й армии противник развернул до 5 пехотных дивизий.

Утром 17 мая растянутые на широком фронте стрелковые дивизии 9-й армии в районе Славянска и южнее Барвенково были атакованы крупными силами немецко-фашистских войск, поддержанных большим количеством авиации.

Войска 9-й армии, которой командовал генерал-майор Харитонов Ф. М., оказались не подготовлены к отражению массированного вражеского удара. Командующий армией, считая, что противник будет продолжать обороняться, в период с 7 по 15 мая проводил частную наступательную операцию в районе Маяки (10 км севернее Славянска), оставив для прикрытия 90 км фронта армии 6 дивизий. Войска этих дивизий были равномерно растянуты по всему фронту, а оборонительные позиции оказались недостаточно оборудованы в инженерном отношении. В силу указанных причин войска 9-й армии не смогли отразить натиска вдвое превосходивших сил противника и с боями начали отходить левым флангом на левый берег р. Северный Донец, а правым — на Барвенково и далее на северо-запад. Контрударом находившегося во фронтовом резерве 5-го кавалерийского корпуса восстановить положение не удалось.

Вследствие отхода 9-й армии и продвижения противника на север вдоль р. Северный Донец создалась непосредственная угроза тылам 57-й армии, которой командовал генерал-лейтенант Подлас К. П., б-й армии и армейской группе генерала Бобкина. Учитывая эту опасность, Военный совет фронта обратился к Верховному Главнокомандующему И. В. Сталину с просьбой о прекращении операции по окружению Харькова. Эта обоснованная просьба вначале была отклонена. Войска фронта продолжали наступление на Харьков, что еще больше осложнило и без того напряженную обстановку. Только во второй половине дня 19 мая Ставкой было принято решение о прекращении наступления и повороте значительной части сил 6-й армии для отражения контрудара противника. Однако время было упущено. Вследствие плохой организации управления согласованного удара не получилось. Части 6-й армии, вынужденные вступать в бой разрозненно, не сумели приостановить продвижение противника.

23 мая войска армейской группы Клейста, наступавшие из района Краматорска, соединились в районе Гусаровки (10 км южнее Балаклеи) с частями 6-й немецкой армии, перерезав войскам 6-й, 57-й армий и армейской группе генерала Бобкина пути отхода на восток за р. Северный Донец.

Все наши части, отрезанные западнее р. Северный Донец, были объединены в одну группу под командованием заместителя командующего фронтом генерал-лейтенанта Костенко Ф. Я. В период с 24 по 29 мая войска этой группы, ведя тяжелые бои в окружении, отдельными отрядами и группами прорывались через немецкие войска и переправлялись на восточный берег р. Северный Донец. Войска 28-й армии под ударами противника вынуждены были к 22 мая отойти на исходный рубеж, занимавшийся ими к началу наступления.