Главный удар в полосе Южного фронта предусматривалось нанести на участке Дмитриевка, Русское, через Донецко-Амвросиевку, Старо-Бешево, в обход Сталино с юга навстречу удару Юго-Западному фронту. Прорыв обороны противника намечалось осуществить на участке к северу от Кубышева (ширина 10—12 км), обеспечив здесь плотность артиллерии не менее 120 орудий на 1 км фронта. 2-й и 4-й гвардейский механизированные корпуса планировалось ввести в первый день операции, после выхода пехоты на линию Степановка – Калиновка, с задачей выйти не позднее утра седьмого дня операции в районе Стан, Караванная (южнее Сталино), Старо-Бешево. С выходом наступающих армий на р. Крынка в сражение предполагалось ввести 4-й кавалерийский корпус с задачей, действуя в юго-западном направлении, к утру седьмого дня операции выйти в район Старая Игнатьевка, Телеманово, откуда во взаимодействии с 1-м гвардейским кавалерийским корпусом Юго-Западного фронта отрезать пути отхода противнику на запад и обеспечить развитие операции с юго-запада. К утру 12 августа намечалось завершить перегруппировку войск, а наступление начать утром 14 августа. Учитывая слабый состав войск Южного фронта, маршал Василевский просил Сталина разрешить начать операцию здесь двумя сутками позже Юго-Западного фронта.
Сталин, рассмотрев представленный план, 10 августа утвердил его.
13 августа из района южнее Змиева перешли в наступление войска 1-й гвардейской армии (генерал-полковник В. И. Кузнецов), а 16 августа из района Изюма – главная группировка Юго-Западного фронта – 6-я (генерал-лейтенант И. Т. Шлемин) и 12-я (генерал-майор А. И. Данилов) армии. Она встретила ожесточенное сопротивление врага, который сосредоточил здесь значительное количество танков, артиллерии и авиации. Советские войска вклинились в оборону противника на 2,5—3,5 км, но прорвать ее не смогли.
18 августа 1-я гвардейская армия овладела Змиевом, но в центре полосы Юго-Западного фронта наступление развивалось медленно. Одновременно после мощной артиллерийской и авиационной подготовки перешли в наступление войска 5-й ударной и 2-й гвардейской армий Южного фронта. Соединения 5-й ударной армии в первый же день наступления сломили сопротивление противника, прорвали его оборону и продвинулись на 10 км. В ночь на 19 августа в прорыв был введен 4-й гвардейский механизированный корпус генерала Т. И. Танасчишина, который за сутки продвинулся на 20 км, вышел на р. Крынка, захватил там плацдарм и создал угрозу перехвата железной дороги Амвросиевка – Сталино. В течение двух следующих дней ударная группировка Южного фронта не только успешно отражала многократные контратаки противника, но и продолжала развивать наступление, расширяя прорыв. В результате 6-я армия противника, действовавшая против Южного фронта, уже в первые дни операции оказалась расчлененной на две части с обнаженными флангами в месте прорыва. Подвижная группа Южного фронта (4-й гвардейский механизированный и 4-й гвардейский кавалерийский корпуса) генерала Н. Я. Кириченко нанесла удар из района Амвросиевки на юг, чтобы отрезать пути отхода таганрогской группировке врага. 22 августа в сражение из второго эшелона Юго-Западного фронта была введена 8-я гвардейская армия с 23-м танковым и 1-м гвардейским механизированным корпусами.
На ахтырском и харьковском направлениях события развивались следующим образом. Утром 18 августа фон Манштейн силами двух танковых и двух моторизованных дивизий и отдельным танковым батальоном, оснащенным танками «Тигр» и «Пантера», нанес новый удар из района Ахтырки. Им удалось прорвать оборону войск 27-й армии. Одновременно из района южнее Краснокутска дивизия «Мертвая голова» нанесла удар на Каплуновку. Попытка генерала армии Ватутина контрударом разгромить ахтырскую группировку противника успеха не имела. Ему удалось остановить наступление войск Воронежского фронта и даже в отдельных местах потеснить их. После вмешательства Сталина представитель Ставки ВГК маршал Жуков и командующий Воронежским фронтом приняли меры к локализации прорыва ахтырской группировки противника. В сражение были введены 4-я гвардейская армия с 3-м гвардейским танковым корпусом и 47-я армия с 3-м гвардейским механизированным корпусом. Они во взаимодействии с войсками 27-й и 6-й гвардейской армий, 2-м и 10-м танковыми корпусами к 27 августа разгромили ахтырскую группировку противника и начали наступать к Днепру.