这样一来，到3月10日，德军已经从南面进逼博戈杜霍夫，该城第二天被“大日耳曼”师攻占；第4装甲集团军则从北面迂回哈尔科夫。当天午后，“希特勒”师已经进抵该城北郊，“帝国”师从西面和南面逼近。由北面、东面、南面去往哈尔科夫的通道，均遭到德空军的攻击！天空被德第4航空队出动的1800个架次飞机所主宰。
现在，阻止德第4装甲集团军进入哈尔科夫的，只有红军坦克第3集团军的残部等兵力。3月10日上午，希特勒本人也再次来到南方集团军群司令部给前线部队打气。
3月11日，党卫装甲军为了拿下哈尔科夫作为献给希特勒的礼物，一面以“骷髅”师在第320步兵师配合下，继续向哈尔科夫北面迂回，割裂第69集团军和第3坦克集团军的联系，切断红军的退路；一面以“希特勒”、“帝国”师冲向城市；而第48装甲军则从东面加以配合。
3月12-14日，苏德两军在哈尔科夫城内展开激烈的巷战。“希特勒”师在红军抗击下损失惨重，到3月13日只剩下22辆可以使用的坦克，而“虎”式坦克早就全部受损退出战斗。但在3月12日，“帝国”师已经抵达了市中心的主要火车站，并和“希特勒”一道逐渐清除了苏军的抵抗据点。而红军坦克第3集团军在城外的退路已经被德军切断，只能由第2空军集团军利用夜航飞机进行补充。
3月14日晚上，戈利科夫被迫下令放弃哈尔科夫。3月15日，守卫该城的红军第17、19步兵旅和第179坦克旅向东突围。3月16日，党卫装甲军重新占领了哈尔科夫。从红军夺回哈尔科夫到他们再次失去这座城市，时间正好过了1个月。打回来的德军疯狂报复，仅党卫军“希特勒”师便屠杀了700多名苏军伤员。
在哈尔科夫失守之后，红军第3坦克集团军于3月17日凌晨突围。在损失了大量兵员，丢弃了众多装备后，这个已经疲惫不堪的红军坦克集团军终于撤到了北顿涅茨河左岸，并被就地编入了西南方面军。
当苏德两军争夺哈尔科夫时，哈尔科夫北面的别尔哥罗德方向，红军第40、69集团军正在德军第52军、“劳斯”军的压力下后撤。3月13日，德军“大日耳曼”师成功的切入了红军第40、69集团军的结合部，并突入别尔哥罗德西面的鲍里索夫卡（第二天占领）。从3月17日起，攻取了哈尔科夫的第4装甲集团军，也开始以第48装甲军和党卫装甲军向北挺进，配合对别尔哥罗德的攻势。在德军前进道路上，Ju-87和Bf-110飞机不断轰炸苏军阵地，为装甲车清道。
在“大日耳曼”师和党卫军装甲军的联合攻势下，别尔哥罗德于3月18日陷落。设在这里的沃罗涅日方面军司令部以及督战的华西列夫斯基在清晨就逃之夭夭，撤离到北面的奥博扬。由于遭到德军从西、南两面展开的进攻，红军第69集团军只得退过北顿涅茨河，留下第40集团军在别尔哥罗德西面继续抵抗。
此后，德国人继续追击撤退中的沃罗涅日方面军，并趁机扩大地盘。曼施坦因打算在春季泥泞季节开始前，向北面的奥博扬和东面的沃尔昌斯克方向推进。而和中央集团军群配合，对库尔斯克方向采取进一步行动，似乎也并非不可能。
但此时冰雪已经开始融化，道路变得泥泞不堪。在哈尔科夫东面，苏军第1近卫骑兵军的顽强阻击也迟滞了德军3天的行动。此后，苏联人又投入了西南方面军和沃罗涅日方面军的预备队—第2和第3近卫坦克军和步兵第203、167、113师。斯大林的胜利象征朱可夫，也被从西北方面军召回，于3月16日被派往沃罗涅日方面军，组织在奥博扬地区的防御。
但来到第69集团军防守的一些地段后，朱可夫没有看见苏联士兵，自己倒差点落入德国人之手。苏军战线的空虚可见一斑。由于这段不愉快的经历，朱可夫在到达沃罗涅日方面军司令部后，当着华西列夫斯基和赫鲁晓夫（他从3月开始担任沃罗涅日方面军军事委员）的面，奚落了戈利科夫一番。
