В течение нескольких последующих дней войска Юго-Западного фронта предпринимали неоднократные попытки прорвать кольцо окружения извне, но безуспешно. Предпринимали такие попытки и окружённые войска. Так, например, 26 мая в районе Чепеля прорвалась из окружения крупная группа советских войск. Все оставшиеся на ходу танки окружённой группировки были объединены в танковую группу, состоявшую из остатков пяти танковых бригад, 21-го и 23-го танковых корпусов. Танки построили клином, который возглавила наиболее опытная 5-я гвардейская танковая бригада, имевшая 14 танков (1 КВ, 7 Т-34 и 6 Т-60). На броню танков положили раненых, а пехоту разместили внутри танкового клина. Пехотинцы получили приказ бежать за танками не отставая, так как никаких остановок и задержек не будет. Из 22 тыс. человек и 60 танков, которые пошли на прорыв, из окружения вышли около 5 тыс. человек и пять танков 5-й гвардейской танковой бригады. Последние крупные группы советских солдат вышли из окружения 28 мая, после этого через немецкий фронт пробивались только мелкие группы и одиночки.
Общие итоги Харьковской операции были ужасны. Потери войск Юго-Западного направления за период с 10 по 31 мая 1942 года составили 266 927 человек (из них 46 314 — раненые и больные эвакуированные в госпитали, 13 556 — убитые и захороненные на незахваченной противником территории, 207 047 — попали в окружение, а иными словами — пропали без вести), 652 танка, 1646 орудий и 3278 миномётов.
Основной причиной поражения Красной Армии в Харьковской операции, помимо просчётов и излишней самонадеянности командования Юго-Западного направления, стал низкий уровень подготовки командного состава Красной Армии, причём на всех уровнях — от командира взвода до командующего армией. Бои под Харьковом продемонстрировали полное неумение армейского командования использовать танковые части, и в первую очередь танковые корпуса, причём как раз для того, для чего они создавались, то есть для развития тактического успеха в оперативный.
Опыт харьковских боёв, кроме того, показал, что танковые корпуса не обладают необходимой оперативно-тактической самостоятельностью. В июле 1942 года в штат корпуса был включён отдельный гвардейский миномётный дивизион, насчитывавший 250 человек и 8 реактивных установок БМ-13, разведывательный и мотоциклетный батальоны. Несколько позже в корпус поступили две подвижные ремонтные базы, а также рота подвоза ГСМ для обеспечения второй заправкой топлива и масла.
Параллельно с развёртыванием танковых корпусов в мае 1942 года начали создаваться танковые армии. По приказу наркома обороны от 29 мая 1942 года танковая армия должна была иметь в своём составе три танковых корпуса, отдельную танковую бригаду, одну-две стрелковые дивизии и специальные части.
Первые две танковые армии (3-ю и 5-ю) сформировали в мае — июне 1942 года. В конце июля этого же года непосредственно на Сталинградском фронте с использованием полевых управлений 38-й и 28-й армий были созданы соответственно 1-я и 4-я танковые армии, которые примерно через месяц расформировали.
Первоначально боевой состав танковых армий определялся директивами на их формирование и был неодинаковым. Опыт их применения летом 1942 года в оборонительных и наступательных операциях на воронежском направлении (5-я танковая армия), в районе Козельска (3-я) и особенно в контрнаступлении под Сталинградом (5-я) позволил сделать ряд важных выводов об их боевых возможностях и организационной структуре. Наличие в них стрелковых дивизий, танковых и кавалерийских корпусов, обладавших различными боевыми возможностями и подвижностью, отрицательно сказывалось на организации, осуществлении взаимодействия, управления и материально-технического обеспечения. В целом, танковые армии оказались громоздкими, неманевренными и трудноуправляемыми. Они применялись фактически так же, как и общевойсковые армии, усиленные танковыми корпусами. Стрелковые дивизии со средствами усиления получали задачу прорвать главную полосу обороны противника, а танковые корпуса составляли подвижную группу армии и предназначались для развития успеха. Однако наличие в составе танковых армий соединений с различной степенью подвижности, к тому же при недостатке эффективных средств связи, серьёзно затрудняло управление войсками при развитии наступления в оперативной глубине. Это неизбежно приводило к ослаблению силы и уменьшению глубины танкового удара, а следовательно, и к снижению результатов операции в целом.