蘇軍在其進攻的正面聚集了大量的兵力，西南方面軍投入了〔從北到南〕第六、第一近衛、波波夫機械化集群、第三近衛和第五坦克集團軍〔該集團軍名不符實，因為它沒有一輛坦克〕共三十二萬五千人，坦克三百二十五輛，其中波波夫機械化集群是蘇軍機械化部隊的試點，它轄四個坦克軍〔第四近衛和第三、第十、第十八坦克軍〕、三個步兵師〔第五十七近衛、第三十八近衛和第五十二步兵師〕、兩個坦克旅〔第九和第十一坦克旅〕，五萬五千人，二百一十二輛坦克，它將作為此次進攻的裝甲矛頭西南方面軍所面對的德軍部隊為蘭斯集群的部份兵力，第一裝甲集團軍和霍立德兵團，共十六萬人，一百輛坦克。而弗羅茲尼方面軍將投入〔從北至南〕第四十、第六十九、第三坦克集團軍〔一百六十五輛坦克〕，共二萬一千人，六百一十五輛坦克。而其面對的德軍為蘭斯集群的主力，和第一黨衛軍裝甲軍的兩個師〔“阿道夫·希特勒”師和“帝國”師〕，共七萬人，二百輛坦克。蘇軍的兵力占有很大優勢，但蘇軍最高統帥部這一次並不掌握任何戰略預備隊來應付突發情況。

　　一月二十九日，西南方面軍首先發動了進攻，在一開始，蘇軍的進展十分順利，波波夫機械化集群於二月初成功地越過頓涅滋河，二月十二日抵達德軍的後方重鎮克拉斯諾伏斯克，三天后，西南方面軍司令瓦杜丁將軍投入了作為方面軍預備隊的兩個坦克軍〔第二十五坦克軍和第一近衛坦克軍〕，二月十九日，蘇軍已逼近了查波羅齊，德國南方集團軍群總部所在地〔當時，希特勒本人正在那裡〕。

　　二月二日，弗羅茲尼方面軍也發動了進攻，但他們的進攻從一開始就遭到了很大困難，德軍依託精心構築的工事，進行了頑強抵抗，蘇軍正面的進攻一再被擊退，並蒙受了重大傷亡，但該方面軍右翼的由莫斯卡連科將軍〔他後來成為蘇聯元帥〕指揮的第四十集團軍的進攻比較順利，雖然蘇軍的正面進攻進展遲緩，但四十集團軍逐漸迂迴到德軍的側後方，使德軍有被包圍的危險，於是，德軍開始了逐漸撤退，並在沿途以優異的逐次抵抗來阻滯蘇軍的前進，二月十六日，蘇軍攻占了哈爾科夫。

　　在蘇軍看來，一切都在按計划進行，但他們所不知道的是，他們已逐漸陷入了曼斯坦因精心布置的陷阱中。在蘇聯進攻開始後，曼斯坦因就開始計劃德軍的反擊計劃，他決定首先以撤退來拉長蘇軍的補給線，當蘇軍的兵力拉長以後，他將以精銳的第一黨衛裝甲軍為主力，首先擊破蘇西南方面軍，然後再向北轉，擊破弗羅茲尼方面軍。為了誘敵深入，有許多地方必須放棄，而為了能逐個擊破敵人，也為了為集結兵力贏得時間，在北面的德軍將作堅決地抵抗，經過艱苦的努力，曼斯坦因說服了希特勒採納了他的計劃。在蘇軍不斷進攻中，他們的戰線越拉越長，而德軍卻趁機完成了兵力的集結。曼斯坦因以第一黨衛軍“阿道夫·希特勒”裝甲師和著名的“大德意志”裝甲擲彈兵師為主力繼續拖住弗羅茲尼方面軍，以第二黨衛軍“帝國”裝甲師和第三黨衛軍“骷髏”裝甲師為北集團，以第四裝甲集團軍第四十八裝甲軍〔第七和第十一裝甲師、第五黨衛軍“維京”裝甲擲彈兵師〕為南集團，於二月二十日，發動了對西南方面軍的反擊，至三月二日，蘇西南方面軍遭到了重創，其波波夫機械化集群遭到了毀滅。為了挽救危機，蘇聯最高統帥部下令把弗羅茲尼方面軍左翼的第三坦克和第六十九集團軍轉交西南方面軍，他們從二月二十三日起，不斷攻擊德軍左翼，但進展甚微，在擊敗西南方面軍後，德軍主力轉向北方，首當其衝的第三坦克集團軍立刻陷入包圍之中，至三月五日，除了第六近衛騎兵軍以外，基本被消滅。三月六日，德軍開始了向哈爾科夫的進攻，三月十四日，德軍攻克了哈爾科夫。得手後的德軍繼續前進，以圖在春季泥濘季節開始前，占領儘可能多的地盤，為了防止戰線的徹底崩潰，蘇最高統帥部不得不中止了計劃中在列寧格勒的進攻，把第一坦克集團軍南調，此外第二十一和第六十四集團軍也被火速從斯大林格勒調往前線，但這些部隊最快也只能在三月下旬趕到，而當時哈爾科夫東面只有第一近衛騎兵軍一個部隊，但正是他們頑強地進行了三天的阻擊戰，使蘇軍得到了集結兵力的時間，在接下來的幾天中，蘇軍得以投入了西南方面軍和弗羅尼茲方面軍的預備隊——第二和第三近衛坦克軍和步兵第二○六、一六七、一一三師，而這時，德軍在集戰後已疲憊不堪了，由於缺乏一支新銳的裝甲部隊去擴張戰果，德軍不得不以擊潰蘇軍進攻部隊的同一支部隊進行追擊，由於戰損和勞累，德軍的進攻越來越弱了，因此隨着蘇軍援兵的趕到和泥濘季節的開始，德軍的進攻中止了。

　　德軍在哈爾科夫戰役中只所以未能殲滅蘇軍，就是由於裝甲兵力嚴重不足，事實證明，當第一線的機械化部隊突破敵人防線過程時，其本身也會被嚴重削弱，如果這時沒有第二線的機械化部隊投入，就無法有效地擴大戰果。因而德軍只能擊潰蘇軍，而無法象戰爭初期那樣大量地殲滅蘇軍。

　　在這次戰役中，雙方都蒙受了重大損失，蘇軍的損失為陣亡和失蹤十萬零六百九十四人，傷十三萬九千三百三十六人，坦克和自行火炮一千三百四十五輛，大炮五千二百九十一門，飛機四百一十七架。德軍的傷亡不太清楚，不過從第一黨衛裝甲軍損失了一萬兩千人上看，其損失是相當大的。