15 мая командующий Юго-Западным направлением маршал С.К. Тимошенко, наконец, решился использовать в бою свой главный козырь – 21-й и 23-й танковые корпуса. Их предполагалось ввести в прорыв утром следующего дня, но из-за удаленности от линии фронта вовремя занять исходное положение для наступления танкисты не успели. 16 мая 6-я армия форсировала реку Берестовая и начала готовиться к вводу в прорыв танковых корпусов. В условиях позднего весеннего паводка река имела ширину от 10 до 20 метров. В сочетании с вязким дном и заболоченной поймой форсирование ее танками требовало наведения инженерными частями переправ. Ввод в прорыв двух танковых корпусов был отложен еще на сутки. В это время немецкое командование продолжало готовить операцию «Фридерикус», которая должна была проводиться в усеченном виде.
За оборону южного фаса Барвенковского выступа отвечали войска 9-й и 57-й армий Южного фронта генерал-полковника Р.Я. Малиновского. Серьезных задач в рамках Харьковской операции фронт не получил и, по большому счету, был предоставлен сам себе. Плотность войск здесь была на грани допустимого для устойчивой обороны. В среднем дивизия занимала оборону на фронте в 20 километров. 17 мая в 4 часа утра немецкие войска под командованием генерала Эвальда фон Клейста на южном фасе Барвенковского выступа начали артиллерийскую подготовку, которая продолжалась полтора часа. После удара артиллерии последовал прорыв танков. Уже к 8 часам утра фронт обороны 9-й армии на обоих направлениях был прорван. К полудню немецкие войска продвинулись на 20 километров и завязали бой на окраинах Барвенкова. Усугубил ситуацию и тот факт, что наступающие немецкие части уничтожили узел связи Южного фронта.
Штаб Южного фронта узнал о начавшемся наступлении Вермахта только во второй половине дня 17 мая. В штаб Юго-Западного направления о произошедшем было доложено лишь к исходу дня. К этому моменту оборона 9-й армии была прорвана на всю глубину, и группа фон Клейста вела бои уже с оперативными резервами Южного фронта. Отсутствие информации о прорыве немецких войск привело к тому, что находившийся поблизости от места прорыва 2-й кавалерийский корпус и 14-я гвардейская стрелковая дивизия весь день простояли на месте, не зная о случившемся и не имея приказов на противодействие прорвавшемуся противнику. В конце дня маршал С.К. Тимошенко задействовал эти резервы и приказал Р.М. Малиновскому исправить положение. Пока на южном фланге наступления назревала катастрофа, в полосе наступления южной ударной группировки фронта были введены в бой 21-й и 23-й танковые корпуса. Первый начал наступление в 5.00, второй потратил время на форсирование реки Берестовой и начал наступать в 8.00. Поскольку в полосе наступления группы фон Клейста была задействована авиация корпуса фон Рихтгоффена, продвижение вперед шло довольно быстро. 21-й и 23-й танковые корпуса продвинулись на 15 километров, а наступающие стрелковые соединения 6-й армии – на 6-10 километров.