Утром следующего дня Бок наконец осознал, что наступление русских имеет значительно большие масштабы, чем казалось раньше. На позиции, обороняемые войсками Паулюса, обрушился ураганный артиллерийский огонь. В ходе трехдневных ожесточенных боев под проливным дождем немцы несли серьезные потери. Было уничтожено 16 батальонов, но Паулюс не сомневался, что в данной ситуации лучше всего продолжать удерживаться на занимаемых рубежах. У Бока имелись другие соображения. По его настоянию Гальдер убедил Гитлера в том, что 1-я танковая армия Клейста может нанести русским контрудар и тем самым превратить оборонительное сражение в победу германского оружия. Фюрер, который, казалось, только и жил ради таких мгновений, быстро оценил все выгоды подобного предложения. Выдав идею за свою собственную, он приказал Клейсту выдвинуть свою танковую армию на ударные позиции против южного фланга русских, а Люфтваффе сделать все возможное, чтобы прижать к земле наступающие советские войска до тех пор, пока Клейст не изготовится.
На рассвете 17 мая 1-я танковая армия Клейста нанесла удар в южный фланг Барвенковского выступа. К полудню войска вермахта продвинулись на 12-15 километров, даже несмотря на то, что немецким танкам пришлось вести бой с русскими «тридцатьчетверками» на близких дистанциях.
Уже вечером Тимошенко обратился в Москву с просьбой о подкреплении и приостановке наступательной операции. Правда, по словам Г. Жукова, Тимошенко не сообщил в Ставку о том, что создалась реальная угроза окружения его наступающих армий. Резервы были выделены, но они могли прибыть в район боевых действий только через два-три дня. До этого времени Генеральный штаб предлагал нанести по наступающим немцам контрудар силами двух танковых корпусов и одной стрелковой дивизии. Позже член Военного совета фронта Н. Хрущев утверждал, что Сталин упорно отказывался дать разрешение войскам Юго-Западного фронта перейти к обороне и выйти из-под удара. (Кстати говоря, именно это затем вменялось в вину Сталину во время известного доклада Хрущева на XX съезде КПСС.)
Только 19 мая Тимошенко отдал приказ переходить к обороне, получив наконец разрешение Верховного Главнокомандующего, но было уже слишком поздно.
Бок решил, что настал момент, когда Паулюс должен нанести удар с севера и захлопнуть ловушку. В результате в окружении оказалось более четверти миллиона советских солдат. Бои отличались огромной ожесточенностью. Один из старших офицеров 389-й пехотной дивизии вспоминает, что его гренадерскому полку довелось даже встретиться с красноармейским женским батальоном, солдаты которого, пропустив немцев через свои боевые порядки, затем открыли по ним огонь с тыла.
Еще один случай произошел во 2-м танковом полку 16-й танковой дивизии вскоре после завершения окружения советских войск в районе Барвенковского выступа. Несколько самоходных орудий из этого полка с наступлением ночи оказались прямо в расположении частей Красной Армии. Командовал самоходками легендарный офицер граф фон Штрахвитц, имевший прозвище «танкист от кавалерии». Он прославился еще в годы Первой мировой войны, когда его подразделение в 1914 году оказалось ближе всех к Парижу, так, что солдаты даже могли видеть французскую столицу невооруженным глазом. В свои 49 лет граф сохранил роскошные черные усы и был похож на кинозвезду 20-х годов. Но самое главное, он по-прежнему прекрасно мог ориентироваться в обстановке и умело избегал лишнего риска, чем завоевал себе репутацию удачливого командира.
Поскольку в наступившей темноте совершенно невозможно было понять, где они находятся, Штрахвитц приказал занять круговую оборону, а с первыми проблесками зари отправился с капитаном бароном Берндом фон Фрайтаг-Лоригофеном и двумя артиллеристами на ближайший холм на рекогносцировку. Едва четыре офицера прильнули к своим биноклям, как Штрахвитц внезапно схватил барона за руку и повалил на землю. В тот же момент раздался взрыв снаряда, и оказавшиеся не столь осторожными два других офицера погибли. Оказывается, на соседнем холме располагалась русская батарея, давно пристрелявшая всю местность. Штрахвитц, не теряя времени, приказал прорываться, и вскоре его подразделение без потерь присоединилось к своей дивизии.
Почти неделю солдаты Красной Армии отчаянно сражались, пытаясь прорвать кольцо окружения и остановить врага. Часто они едва ли не с голыми руками бросались на немецкие окопы, в основном атакуя по ночам. Но кольцо захлопнулось прочно, и красноармейцы тысячами погибали в призрачно-мертвенном свете немецких осветительных ракет. Возле германских окопов возникли целые валы из мертвых тел, а те, кто выжил в жестоких атаках, вряд ли верили, что им удастся выбраться из этой мясорубки. Один неизвестный русский солдат, попавший в плен в Барвенковском котле, записал на обрывке бумаги, что он, наверное, больше никогда не увидит свою любимую.