В ночь на 14 февраля части 1-й гвардейской армии прорвались в северо-западные пригороды Харькова и перерезали шоссе Харьков – Полтава. Командующий оборонявшего Харьков танкового корпуса СС обергруппенфюрер Пауль Хауссер, спасая свои войска от полного окружения, в ночь на 16 февраля принял решение оставить город. Это было сделано вопреки приказу Гитлера удерживать Харьков любой ценой.
Южнее Харькова успешно наступала к Днепру 6-я армия Юго-Западного фронта. Ставка собиралась разгромить немецкую группировку в Донбассе. Сталин приказал Ватутину занять Днепропетровск, Запорожье и Синельниково, чтобы не допустить отхода противника за Днепр. Командование фронтами и Ставка считали, что враг разбит и не может оказать серьезного сопротивления. Но немецкие войска прочно удерживали район Краснограда и рубеж Краматорск – Красноармейск, откуда Манштейн собирался нанести контрудар. Чтобы сосредоточить силы для контрнаступления, он оставил Ростов-на-Дону и перебросил под Харьков пять танковых дивизий 1-й и 4-й танковых армий. Эта перегруппировка не была вскрыта советской разведкой. Считалось, что враг поспешно отступает и серьезно обороняться будет только на рубеже Днепра. 19 февраля войска Юго-Западного фронта взяли Синельниково. Но это был последний успех на пути к Днепру.
20 февраля началось немецкое контрнаступление. Танковый корпус СС от Краснограда ударил по правому флангу 6-й армии, 48-й танковый корпус атаковал ее левый фланг в районе Гуляйполя, а 57-й танковый корпус 4-й танковой армии сражался с 1-й гвардейской армией. Дивизии же 1-й танковой армии ударили по группе Попова. Ватутин посчитал, что контрнаступление – это всего лишь попытка прикрыть отход к Днепру основных сил группы армий «Юг», и приказал продолжать наступление на Запорожье. Когда 22 февраля в наступление перешел 48-й танковый корпус, возникла угроза окружения. 6-я армия начала беспорядочное отступление. 23 февраля 1-й танковый корпус СС соединился в Павлограде с передовыми частями 48-го танкового корпуса, замкнув окружение вокруг двух советских танковых корпусов, наступавших на Днепропетровск и Запорожье. А в районе Дебальцево армейская группа Холлидта окружила 7-й гвардейский кавалерийский корпус. Ватутин попросил Ставку разрешить немедленно отвести свои части за реку Северский Донец. Но разрешение было дано только 25 февраля и только для войск правого фланга. К тому времени 40-й немецкий танковый корпус разгромил 18-й танковый корпус из группы Попова, и последний без санкции Ставки оставил Красноармейск и Краматорск. При отходе особенно тяжелые потери понес 4-й гвардейский танковый корпус.
Теперь основной удар немцев был направлен на Харьков. 26 февраля дивизия СС «Рейх» взяла Лозовую. 28 февраля танковый корпус СС окружил в районе Кегичевка – Красноград – река Берестовая 6-й гвардейский кавалерийский, 12-й и 15-й танковые корпуса, 111, 184, 219-ю стрелковые дивизии из состава 3-й танковой армии. С большими потерями, потеряв почти все танки, им удалось прорваться в районе Тарановки. Остатки армии оказались небоеспособными, их пришлось отвести в тыл. Дивизии СС «Рейх» и «Лейбштандарт» 4 марта попытались прорваться к Харькову с юго-востока, но были остановлены упорным сопротивлением 25-й гвардейской стрелковой дивизии у Тарановки. Тогда Манштейн перенацелил «Лейбштандарт» и только что прибывшую дивизию СС «Мертвая голова» в стык между 3-й танковой и 69-й армиями. 10 марта в Харьков ворвались части дивизии «Рейх». Дивизия же «Тотенкопф» обошла Харьков с севера и захватила Чугуев. Составлявшие харьковский гарнизон 62-я гвардейская, 19-я и 303-я стрелковые дивизии, 17-я стрелковая бригада НКВД, 86-я и 179-я отдельные танковые бригады 69-й армии оказались в окружении. Также в районе Богодухова попали в окружение три стрелковые дивизии 40-й армии, переданные на усиление 69-й армии. Лишь немногим из окруженных в Харькове удалось 15 марта вырваться к своим. 18 марта дивизией «Лейбштандарт» был захвачен Белгород. 69-я армия отошла на восточный берег Северского Донца. Для того чтобы предотвратить дальнейшее продвижение немцев на Воронежский и Юго-Западный фронт, пришлось спешно перебрасывать резервы Ставки: два танковых корпуса, 1-ю танковую, 21-ю и 64-ю армии.