В первый же день авианалетами был выведен из строя пункт управления 9-й армии, через который проходили и основные линии связи 57-й армий. Фронт 9-й армии был прорван. Штаб Южного фронта узнал о начавшемся наступлении противника лишь во второй половине дня, когда прорыв уже осуществился, а штаб Юго-Западного направления – только к исходу дня. 17 мая на фронте 6-й советской армии были введены в прорыв два танковых корпуса, которые продвинулись вперед на 15 км. Была перерезана железная дорога Харьков – Красноград. Однако из- за недостатка боеприпасов кавалерийский корпус не смог овладеть Красноградом. 18 мая группа Клейста, развивая наступление, заняла южную часть Изюма и уничтожила 12-ю танковую бригаду. Повернув от Изюма на запад, противник отрезал от переправ части 5-го кавкорпуса и двух стрелковых дивизий. Советскую авиацию пришлось срочно перебазировать с аэродромов в Изюме и Петровской, находившихся под угрозой захвата, так что она не могла поддержать свои войска. 18 мая заместитель начальника Генштаба Василевский предложил остановить наступление на Харьков и бросить основные силы ударных группировок для ликвидации прорыва на юге, но Тимошенко убедил Сталина, что угроза со стороны краматорской группировки преувеличена. В этот день 6-й кавкорпус полностью окружил Красноград. Лишь во второй половине 19 мая Тимошенко принял решение приостановить наступление 6-й армии, закрепиться на достигнутых рубежах и совместным ударом 6-й, 57-й и 9-й армий разгромить армейскую группу Клейста. Одновременно 38-я армия должна была разгромить чугуевскую группировку немцев. Однако организация контрудара затянулась. А 22 мая две танковые дивизии 6-й немецкой армии форсировали Северский Донец и двинулись навстречу группе Клейста. В этот день советские войска на барвенковском выступе были окружены. В «котле» оказались 20 стрелковых, семь кавалерийских дивизий и 14 танковых бригад. Из окружения несколькими группами удалось вырваться лишь 22 тыс. человек. К 30 мая основные силы 6-й, 9-й, 57-й армий и оперативной группы генерала Леонида Бобкина были уничтожены. В плен попали 239 тыс. бойцов и командиров. Было потеряно 2 026 орудий, 1 249 танков и 540 самолетов. В окружении погибли генералы Костенко, Бобкин, Городнянский и Подлас. 1-я танковая, 6-я и 17-я немецкие армии во 2-й и 3-й декаде мая потеряли 5 048 человек убитыми, 22 127 ранеными и 2 269 пропавшими без вести. Успех германских войск был обеспечен благодаря их преимуществу в маневренности и средствах управления, лучшего взаимодействия родов войск, благодаря лучшей боевой подготовке войск.
Вот как описывал впечатления от советского наступления под Харьковом неизвестный нам командир батальона немецкой 294 пехотной дивизии, оборонявшей Песчаное. 1 мая 1942 года он записал в дневнике: «Сегодняшний перебежчик принес сведения, что русские хотят наступать 15 мая. Ну, до этого времени мы будем готовы. Пусть тогда приходят». Из этой записи можно