苏军在其进攻的正面聚集了大量的兵力，西南方面军投入了〔从北到南〕第六、第一近卫、波波夫机械化集群、第三近卫和第五坦克集团军〔该集团军名不符实，因为它没有一辆坦克〕共三十二万五千人，坦克三百二十五辆，其中波波夫机械化集群是苏军机械化部队的试点，它辖四个坦克军〔第四近卫和第三、第十、第十八坦克军〕、三个步兵师〔第五十七近卫、第三十八近卫和第五十二步兵师〕、两个坦克旅〔第九和第十一坦克旅〕，五万五千人，二百一十二辆坦克，它将作为此次进攻的装甲矛头西南方面军所面对的德军部队为兰斯集群的部份兵力，第一装甲集团军和霍立德兵团，共十六万人，一百辆坦克。而弗罗兹尼方面军将投入〔从北至南〕第四十、第六十九、第三坦克集团军〔一百六十五辆坦克〕，共二万一千人，六百一十五辆坦克。而其面对的德军为兰斯集群的主力，和第一党卫军装甲军的两个师〔“阿道夫·希特勒”师和“帝国”师〕，共七万人，二百辆坦克。苏军的兵力占有很大优势，但苏军最高统帅部这一次并不掌握任何战略预备队来应付突发情况。

　　一月二十九日，西南方面军首先发动了进攻，在一开始，苏军的进展十分顺利，波波夫机械化集群于二月初成功地越过顿涅滋河，二月十二日抵达德军的后方重镇克拉斯诺伏斯克，三天后，西南方面军司令瓦杜丁将军投入了作为方面军预备队的两个坦克军〔第二十五坦克军和第一近卫坦克军〕，二月十九日，苏军已逼近了查波罗齐，德国南方集团军群总部所在地〔当时，希特勒本人正在那里〕。

　　二月二日，弗罗兹尼方面军也发动了进攻，但他们的进攻从一开始就遭到了很大困难，德军依托精心构筑的工事，进行了顽强抵抗，苏军正面的进攻一再被击退，并蒙受了重大伤亡，但该方面军右翼的由莫斯卡连科将军〔他后来成为苏联元帅〕指挥的第四十集团军的进攻比较顺利，虽然苏军的正面进攻进展迟缓，但四十集团军逐渐迂回到德军的侧后方，使德军有被包围的危险，于是，德军开始了逐渐撤退，并在沿途以优异的逐次抵抗来阻滞苏军的前进，二月十六日，苏军攻占了哈尔科夫。

　　在苏军看来，一切都在按计划进行，但他们所不知道的是，他们已逐渐陷入了曼斯坦因精心布置的陷阱中。在苏联进攻开始后，曼斯坦因就开始计划德军的反击计划，他决定首先以撤退来拉长苏军的补给线，当苏军的兵力拉长以后，他将以精锐的第一党卫装甲军为主力，首先击破苏西南方面军，然后再向北转，击破弗罗兹尼方面军。为了诱敌深入，有许多地方必须放弃，而为了能逐个击破敌人，也为了为集结兵力赢得时间，在北面的德军将作坚决地抵抗，经过艰苦的努力，曼斯坦因说服了希特勒采纳了他的计划。在苏军不断进攻中，他们的战线越拉越长，而德军却趁机完成了兵力的集结。曼斯坦因以第一党卫军“阿道夫·希特勒”装甲师和著名的“大德意志”装甲掷弹兵师为主力继续拖住弗罗兹尼方面军，以第二党卫军“帝国”装甲师和第三党卫军“骷髅”装甲师为北集团，以第四装甲集团军第四十八装甲军〔第七和第十一装甲师、第五党卫军“维京”装甲掷弹兵师〕为南集团，于二月二十日，发动了对西南方面军的反击，至三月二日，苏西南方面军遭到了重创，其波波夫机械化集群遭到了毁灭。为了挽救危机，苏联最高统帅部下令把弗罗兹尼方面军左翼的第三坦克和第六十九集团军转交西南方面军，他们从二月二十三日起，不断攻击德军左翼，但进展甚微，在击败西南方面军后，德军主力转向北方，首当其冲的第三坦克集团军立刻陷入包围之中，至三月五日，除了第六近卫骑兵军以外，基本被消灭。三月六日，德军开始了向哈尔科夫的进攻，三月十四日，德军攻克了哈尔科夫。得手后的德军继续前进，以图在春季泥泞季节开始前，占领尽可能多的地盘，为了防止战线的彻底崩溃，苏最高统帅部不得不中止了计划中在列宁格勒的进攻，把第一坦克集团军南调，此外第二十一和第六十四集团军也被火速从斯大林格勒调往前线，但这些部队最快也只能在三月下旬赶到，而当时哈尔科夫东面只有第一近卫骑兵军一个部队，但正是他们顽强地进行了三天的阻击战，使苏军得到了集结兵力的时间，在接下来的几天中，苏军得以投入了西南方面军和弗罗尼兹方面军的预备队——第二和第三近卫坦克军和步兵第二○六、一六七、一一三师，而这时，德军在集战后已疲惫不堪了，由于缺乏一支新锐的装甲部队去扩张战果，德军不得不以击溃苏军进攻部队的同一支部队进行追击，由于战损和劳累，德军的进攻越来越弱了，因此随着苏军援兵的赶到和泥泞季节的开始，德军的进攻中止了。

　　德军在哈尔科夫战役中只所以未能歼灭苏军，就是由于装甲兵力严重不足，事实证明，当第一线的机械化部队突破敌人防线过程时，其本身也会被严重削弱，如果这时没有第二线的机械化部队投入，就无法有效地扩大战果。因而德军只能击溃苏军，而无法象战争初期那样大量地歼灭苏军。

　　在这次战役中，双方都蒙受了重大损失，苏军的损失为阵亡和失踪十万零六百九十四人，伤十三万九千三百三十六人，坦克和自行火炮一千三百四十五辆，大炮五千二百九十一门，飞机四百一十七架。德军的伤亡不太清楚，不过从第一党卫装甲军损失了一万两千人上看，其损失是相当大的。