Немецкое командование тем временем собирало ударную группировку для наступления в западном направлении. В III моторизованный корпус Э. фон Маккензена были собраны все подвижные соединения группы Клейста: помимо 14–й танковой, корпусу подчинили 16–ю танковую и 60–ю моторизованную дивизии. Одновременно были подтянуты к рубежу Береки 68, 384 и 389–я пехотные дивизии. Советское командование готовилось отражать удар в северном направлении, на Балаклею, навстречу 6–й армии. Однако немецкое командование развернуло свою ударную группировку на 90 градусов и начало наступление в западном направлении, прикрывшись пехотными дивизиями. Последние также заняли оборону вдоль Береки, фронтом на север, напротив прибывающих советских резервов. Практически все запланированные С.К. Тимошенко мероприятия тем самым сводились к нулю. Вообще маневры немцев в процессе образования «котла» под Харьковом следует признать одними из наиболее замысловатых за всю войну.
20 мая началось наступление III моторизованного корпуса на запад, почти параллельно занимаемому резервами Юго-Западного направления фронту. Переданные Маккензену 16–я танковая и 60–я моторизованная дивизия наступали на Лозовую, выходя в тыл оборонявшимся южнее города левофланговым соединениям 57–й армии. Наступавшая на правом фланге III моторизованного корпуса 14–я танковая дивизия в ходе наступления на восток столкнулась с выдвигавшимся с фронта 6–й армии 23–м танковым корпусом Е.Г. Пушкина. Состоялось сражение, оставшееся в истории как «танковая битва у Протопоповки».
Дезорганизовав левый фланг 57–й армии, ударная группировка Клейста разворачивается едва ли не на 180 градусов и возвращается к р. Береке. На этот раз следует наступление в северном направлении, и 22 мая 14–я танковая дивизия устанавливает контакт с частями 44–й пехотной дивизии. Кольцо окружения замыкается. Фронтом на восток встали 14–я танковая и 384–я пехотная дивизия III моторизованного корпуса. Фронтом на запад на пути прорывов из окружения — 16–я танковая, 60–я моторизованная и 1–я горно-егерская дивизии. Вскоре на них обрушились удары изнутри и снаружи «котла».
В окружение под Харьковом попали: пять стрелковых дивизий 57–й армии (14–я гвардейская, 99, 150, 317 и 351–я), восемь стрелковых дивизий 6–й армии (41, 47, 103, 248, 253, 266, 337 и 411–я), две стрелковые дивизии армейской группы Л.В. Бобкина (270–я и 293–я), шесть кавалерийских дивизий 2–го и 6–го кавалерийских корпусов (38, 62, 70, 26, 28 и 49–я), два танковых корпуса, пять отдельных танковых бригад, артиллерийские, инженерные части и различные вспомогательные подразделения.
Для деблокирования окруженных в составе Южного фронта был создан сводный танковый корпус под руководством заместителя командующего фронтом по автобронетанковым войскам И. Штевнева. Первоначально в состав корпуса включались 3–я (8 KB, 9 Т–34 и 16 Т–60) и 15–я (20 Т–34 и 9 Т–60) танковые бригады. К вечеру 23 мая в район сосредоточения для деблокирующего удара прибывают 17 Т–34, 7 Т–60 15–й и 2 Т–34, 13 Т–60 3–й танковых бригад. Остальные танки отстали вследствие поломок, а для KB отсутствовала переправа нужной грузоподъемности. По прибытии на место корпус переформировывают, исключив из его состава слабую 3–ю танковую бригаду. Вместо этого в корпусе оставляют 15–ю танковую бригаду и включают дополнительно: оказавшуюся вне кольца окружения 64–ю танковую бригаду (11 МkII «Матильда», 1 MkIII «Валентайн» и 21 Т–60) 23–го танкового корпуса, 114–ю танковую бригаду (2 МkII, 2 MkIII и 21 Т–60) и 92–й отдельный танковый батальон (8 Т–34, 12 Т–60). Что характерно, временное соединение нескольких танковых бригад именовали именно корпусом, хотя он не имел корпусных частей и соответствующей артиллерии и мотопехоты. Само название «корпус» становилось магическим.
Помимо деблокирующих ударов сквозь занявшие оборону немецкие подвижные соединения, в штабе Юго-Западного направления появлялись и более интересные варианты. Например, была идея пробиться через ослабленный фронт чугуевского выступа. 21 мая К.С. Москаленко был даже дан приказ перегруппироваться и начать наступление к северу от Чугуева. Однако из-за невозможности в срок сосредоточить ударную группировку от этого плана пришлось отказаться.