Przebieg operacji Ofensywa radziecka rozpoczęła się 12 maja atakiem obu grup uderzeniowych. W ciągu trzech dni linie obronne 6. Armii zostały złamane na północ i południe od Charkowa na szerokości po 50 km. Front w kierunku Wowczańska przesunięto o 18–25 km, a od występu barwienkowskiego o 25–50 km. Po trzech dniach operacji dowództwo odcinka południowego proponowało Stawce włączenie do ofensywy wojsk Frontu Briańskiego i rozwijanie działań Frontu Południowo-Zachodniego. Jednak nikt nie zwrócił na to uwagi, że 14 maja nie wykorzystano sytuacji i nie wprowadzono w wyłom oddziałów pancernych i zmotoryzowanych, a działania wciąż kontynuowano siłami piechoty. Tempo ataku gwałtownie spadało, a drugi rzut skierowano do akcji dopiero 17 maja. Do tego czasu Niemcy zdążyli podciągnąć rezerwy i zorganizować drugą linię obrony. Tego samego dnia przeciwko 9. i 57. Armii z rejonu Kramatorska i Słowiańska ruszyła grupa „Kleist”, licząca 11 dywizji. Równocześnie rozpoczął się kontratak niemiecki na wschód od Charkowa i na południe od Biełgorodu, wymierzony w 28. Armię Frontu Południowo-Zachodniego. Uderzenie zepchnęło 9. Armię, która zaczęła się cofać za Doniec i na Barwienkowo. Dowództwo odcinka południowo-zachodniego niewłaściwie oceniło zagrożenie od tej strony i nakazało kontynuację ataku na Charków.