В то время как фон Манштейн наносил удар из района Ахтырки, генерал Конев предпринял новое наступление на Харьков. Он стремился силами войск 53-й и 57-й армий более плотно охватить город с запада и юго-запада. Соединениям 53-й армии пришлось вести тяжелые бои северо-западнее Харькова за очищение лесного массива. Наступление 299-й и 84-й стрелковых дивизий этой армии на северную опушку леса не увенчалось успехом. Тогда генерал Конев вместе с командующим 53-й армией генералом И. М. Манагаровым принял решение: ночной атакой пробить оборону противника и овладеть лесом. Вся артиллерия дивизий, часть армейской артиллерии и танки были выдвинуты на огневые позиции для стрельбы прямой наводкой. После мощного огневого налета части 299-й и 84-й стрелковых дивизий сломили сопротивление противника и овладели лесным массивом. Из резерва в сражение была введена 252-я стрелковая дивизия, которая быстро продвигалась через лес и во взаимодействии с 299-й и 84-й стрелковыми дивизиями к утру 19 августа, очистив лесной массив, развернула бои за село Пересечная и переправы через р. Уда. Освобожденный от врага лесной массив сыграл роль хорошего подступа и удобного плацдарма в дальнейшей борьбе за Харьков.
Части 18-го танкового и 5-го гвардейского Зимовниковского механизированного корпусов 5-й гвардейской танковой армии, ломая сопротивление противника, к исходу дня 22 августа освободили Коротич. Одновременно танковые бригады 57-й армии вышли на рубеж Безлюдовка и южнее, охватив харьковскую группировку врага с юго-востока. Она оказалась под угрозой полного окружения. В ее распоряжении остались лишь одна железная и одна шоссейная дороги, да и те были под постоянными ударами 5-й воздушной армии. Одновременно сосед справа – 5-я гвардейская армия, – тесно взаимодействуя с 53-й армией, наступал западнее Харькова.
И. С. Конев, вспоминая о проблемах, вставших перед ним на завершающем этапе сражения за Харьков, отмечал:
Бесперспективность дальнейшей борьбы за Харьков, опасность окружения харьковской группировки были настолько очевидны, что единственным шансом на ее спасение от полного истребления было быстрое отступление на юг. Во второй половине дня 22 августа фон Манштейн был вынужден начать отвод своих войск из района Харькова. Гитлер требовал при всех обстоятельствах удержать город, считая, что его падение могло неблагоприятно сказаться на позиции Турции и Болгарии. Но командующий группой армий «Юг» был непреклонен в своем решении. В своих мемуарах он подчеркивал:
Генерал Конев, стремясь не дать фон Манштейну возможности вывести из-под ударов свои войска и не допустить полного разрушения Харькова, отдал приказ о ночном штурме города. Всю ночь на 23 августа в Харькове шли уличные бои. Войска Степного фронта умело обходили опорные пункты врага, просачивались в его гарнизоны с тыла. К 11 часам 23 августа Харьков был полностью освобожден. Часть группировки, оборонявшей город, была уничтожена, а остатки ее отошли. И. С. Конев, вспоминая события того времени, отмечал: