Ворошиловградская операция началась 29 января 1943 г. ударом 6-й армии (генерал М. Ф. Харитонов). На следующий день в наступление перешли остальные силы Юго-Западного фронта. Успешное начало операции позволило уже в первый день на стыке 6-й и 1-й гвардейской армий ввести в сражение подвижную группу фронта. Это резко ускорило темпы наступления: 6-я армия овладела 6 февраля Балаклеей и Изюмом, а через два дня перерезала железную дорогу Харьков — Лозовая; 1-я гвардейская армия (генерал В. И. Кузнецов) 11 февраля освободила Лозовую и совместно с подвижной группой фронта завязала бои за Славянок и Красноармейское. В это же время 3-я гвардейская армия (генерал Д. Д. Лелюшенко) после упорных боев освободила 14 февраля Ворошиловград.
В первой половине февраля войска Ватутина продвинулись вперед на 120–250 км. Советское командование предполагало, что новым рубежом немецкой обороны станет Днепр. Поэтому войска Юго-Западного фронта получили приказ ускорить темпы наступления, чтобы не дать немцам закрепиться на данном рубеже. К середине февраля передовые части правого крыла Юго-Западного фронта вышли к Днепру на участке между Запорожьем и Днепропетровском. 19 февраля советские танки появились на окраинах Запорожья, сорвав совещание, на которое специально прилетел Гитлер.
Однако наступавшие соединения испытывали те же трудности, что и их северный сосед — Воронежский фронт. Они понесли за время непрерывных боев большие потери, оторвались от баз снабжения на 300–350 км, начали испытывать недостаток горючего и боеприпасов. На завершающем этапе операции войска остались почти без авиационной поддержки из-за удаленности базовых аэродромов. Войска нуждались в паузе для подтягивания тылов. Кроме того, стремясь поскорее прорваться к Днепру, командование Юго-Западного фронта не обратило должного внимания на свои фланги, которые оказались открытыми и незащищенными. Таким образом, «борьба за темп» обернулась существенными издержками.
У немцев, напротив, тыловые базы находились под боком. Немецкое командование не собиралось отступать за Днепр и без боя сдавать жизненно важный для германской экономики Донецкий угольный бассейн. В начале февраля 1943 года в организации немецкой группировки войск на юге произошли существенные изменения. Группы армий «В» и «Дон» были расформированы, и 13 февраля создана группа армий «Юг». Ее возглавил фельдмаршал Манштейн, который поспешил обратить в свою пользу выдыхающийся советский порыв. Для этого фельдмаршал применил традиционный германский метод скрытного сосредоточения и внезапного удара, который предполагал высокую мобильность и четкость действий немецких соединений.
Германский командующий сдал Ростов-на-Дону и отвел войска за реку Миус. За счет этого маневра он значительно сократил линию фронта, прикрыл свое правое крыло миусским оборонительным рубежом, а высвободившиеся силы бросил для атаки во фланг прорвавшейся советской группировке. Кроме того, германское командование усилило южное направление новыми 8 дивизиями. Всего к наступлению привлекались 11 дивизий, которых поддерживало с воздуха 750 самолетов. На направлении главного удара немцы смогли сосредоточить до 800 танков.
19 февраля немцы силами 40-го корпуса 1-й танковой армии при поддержке авиации нанесли со стороны северного Донбасса неожиданный удар по южному флангу рвущихся к Днепру частей правого крыла Юго-Западного фронта. Одновременно навстречу частям 1-й танковой армии перешли в наступление из района Полтавы и Краснограда подразделения 4-й танковой армии. В полосе наступления немцы имели превосходство в личном составе и артиллерии — в 1,2 раза, в танках — 2,4 раза.
Несмотря на внезапность этих мощных сходящихся фланговых ударов, они не смогли отсечь и уничтожить вырвавшееся вперед правое крыло Юго-Западного фронта. После нескольких дней встречных боев Ватутин начал отход из-за нависшей над его подразделениями угрозы окружения.
Манштейну не удалось окружить войска правого крыла Юго-Западного фронта. Они сумели отойти за Северский Донец и отбить попытки немецких войск форсировать эту реку. Немцам удалось взять всего 9 тыс. пленных. Более существенными были советские потери в технике — 615 танков и 423 орудия. В ходе Ворошиловградской операции советские войска заняли северную часть Донбасса. Однако отбросить немцев к линии Днепра и полностью освободить Донецкий угольный бассейн им не удалось.
В связи с отходом войск Юго-Западного фронта (генерал Н. Ф. Ватутин) за Северский Донец у Воронежского фронта (генерал Ф. И. Голиков), который проводил в это время Харьковскую наступательную операцию (2 февраля — 3 марта 1943 г.), образовался открытый левый фланг. К началу марта части Воронежского фронта вышли к Полтаве и Сумам, пройдя с боями сотни километров. Из-за растянутости коммуникаций войска стали испытывать серьезные затруднения. Наступательные возможности фронта были исчерпаны. В это время обстановка южнее Харькова резко ухудшилась.