Степной фронт имел задачу уничтожить харьковский оборонительный узел и освободить Харьков. Командующий фронтом И. Конев, получив разведданные об оборонительных сооружениях немецких войск в районе Харькова, принял решение уничтожить по возможности немецкую группировку на подступах к городу и не допустить отвода немецких танковых войск в городскую черту. 11 августа передовые части Степного фронта подошли к внешнему оборонительному обводу города и начали его штурм. Но только на следующий день, после ввода всех артиллерийских резервов, удалось несколько вклиниться в него. Положение усугублялось тем, что 5-я гв. танковая армия была задействована в отражении немецкого удара в районе Богодухова. Танков не хватало, но благодаря действиям артиллерии, 13 августа 53-я, 57-я, 69-я и 7-я гв. армии прорвали внешний оборонительный обвод и подошли к пригородам.
В период 13–17 августа советские войска завязали бои на окраинах Харькова. Бои не прекращались и ночью. Советские войска несли большие потери. Так, в некоторых полках 7-й гв. армии 17 августа насчитывалось не более 600 человек. 1 — й мехкорпус имел всего 44 танка (меньше численности танковой бригады), более половины — легкие. Но обороняющаяся сторона также несла большие потери. По донесениям пленных, в некоторых ротах обороняющихся в Харькове частей группы «Кемпф» оставалось по 30…40 человек.
18 августа немецкие войска предприняли еще одну попытку остановить войска Воронежского фронта, нанеся удар севернее Ахтырки во фланг 27-й армии. В ударной группировке были задействованы моторизованная дивизия «Гроссдойчланд», переброшенная из-под Брянска, Ю-я моторизованная дивизия, части 11-й и 19-й танковых дивизий и два отдельных батальона тяжелых танков. Группировка насчитывала около 16 тыс. солдат, 400 танков, около 260 орудий. Группировке противостояли части 27-й армии в составе ок. 15 тыс. солдат, 30 танков и до 180 орудий. Для отражения контрудара могло быть привлечено с соседних участков до!00 танков и 700 орудий. Однако командование 27-й армии опоздало с оценкой сроков наступления ахтырской группировки немецких войск, и потому переброска подкреплений началась уже в ходе начавшегося немецкого контрнаступления.
Утром 18 августа немцы провели сильную артподготовку и начали наступление на позиции 166-й дивизии. До 10 часов артиллерия дивизии успешно отражала атаки немецких танков, но после II часов, когда немцы ввели в бой до 200 танков, артиллерия дивизии была выведена из строя, и фронт был прорван. К 13 часам немцы прорвались к расположению штаба дивизии, а к концу дня продвинулись узким клином на глубину до 24 км в юго-восточном направлении. Для локализации удара были введены 4-й гв. танковый корпус и подразделения 5-го гв. танкового корпуса, которые атаковали прорвавшуюся группировку во фланг и в тыл.