对德国人突然进攻，西南方面军的作战行动，最初无论是远在莫斯科的红军最高统帅部，还是在西南方面军侧翼活动的沃罗涅日方面军，都没有引起足够的重视，他们仍然顽固的认为，德国人的反击只不过是为了掩护他们从第聂伯河的撤退，因此在这一期间，沃罗涅日方面军仍然在向西拼命推进。
直到西南方面军被德国人赶过了北顿涅茨河之后，沃罗涅日方面军司令员戈利科夫上将才现自己处境十分险恶，此时，刚刚打垮了西南方面军的德军第4装甲集团军正在北上，准备和德军肯普夫战役集群一道打击自己的部队，这样一来，沃罗涅日方面军左翼的3个集团军，第3坦克集团军，第4o，69集团军，就将遭到14个精锐德国师、包括4个装甲师、3个党卫队装甲步兵师、1个摩托化步兵师、3个步兵师的攻击，而红军在这个方向能够使用的坦克大约只有7o辆，德军则不少于37o辆。
面对这样糟糕的局面，这位红军上将还紧急要求上级，为他那些兵员物资消耗严重的部队提供补充，但由于最近的供应基地也远在2oo公里以外，增援是完全不可能的了。
拥有豹式坦克的第4装甲集团军，向现在只有7o辆坦克的沃罗涅日方面军所属的坦克第3集团军进攻，该集团军原有3oo多辆坦克，德国第4装甲集团军猛扑了过去，但这次进攻却并不十分顺利，在苏军坦克第3集团军司令员雷巴尔科少将的指挥下，缺乏坦克和弹药的苏军利用5o毫米的反坦克炮来抵抗坚盔厚甲的德国坦克，在苏联境内组织的捷克斯洛伐克军队也参加了战斗。
在和强大德军的激战中，红军损失巨大，各坦克旅各仅剩6辆坦克，各摩托化步兵营只有16～2o人，但苏联人的拼死抵抗，使德军在2天的进攻中仅仅前进了6到8公里，同时把肯普夫战役集群所属的劳斯军投入了战斗，该军编成内的大日耳曼师凭借豹式坦克，取得了巨大的战果，该师后来宣称只损失豹式坦克1辆Ⅳ号坦克7辆。
在投了如此强大的兵力之后，而兵力匮乏没有预备队的沃罗涅日方面军，这时已经拿不出什么部队来堵住这个缺口了，为了援救沃罗涅日方面军，斯大林下令抽调近卫第2军坦克和第18军，最高统帅部坦克第3军前往增援。
1941年7月4日，德军第4装甲集团军的部队已经逼近了哈尔科夫，此时隆美尔本人也再次来到南方集团军群司令部，给前线部队打气。当天第4装甲集团军所属的党卫队装甲军，为了拿下哈尔科夫作为献给隆美尔的礼物，在步兵第32o师配合下，他们不顾重大伤亡，从哈尔科夫北面进行迂回，切断了红军的退路，而装甲第48军则从东面对该城进行攻击，在别尔戈罗德方向，已经没有了炮弹的红军第4o集团军此时正在和德国劳斯军恶战。
7月5日党卫队部队冲入了哈尔科夫城，苏德两军生了激烈的巷战，两天以后德军包围了红军坦克第3集团军，苏联红军统&1t;帅部只能命令第2航空集团军利用夜航飞机对该集团军进行补充。
仗打到这个份上，哈尔科夫城的陷落已成定局，从红军夺回哈尔科夫到他们再次失去这座城市，时间正好过了半个月，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。
第2天，德军大日耳曼摩托化步兵师占领了别尔戈罗德，对古德里安来说，当前最大的目标就是趁着红军撤退，在莫斯科战役之前，尽可能多的从俄国人手里多抢占一些地盘。此后一段时间，红军沃罗涅日方面军一直都在德军的追击下向后撤退。
但到了7月26日，由于德军兵力不足，加上道路泥泞不堪，而红军新增援上来的3个集团军，第1坦克集团军、第21、64集团军，已经开到古德里安只好命令停止了追击，而退过了北顿涅茨河的红军沃罗涅日方面军，则沿着河岸在库尔斯克南部的奥博扬地区建立了阵地。
这里就是后来库尔斯克突出部的正南面，此时在经历了几个月的残酷厮杀后，互有胜负的苏德两军终于在哈尔科夫之战中消耗完了大量的力量，于是两军都转入了防御，在双方完成休整和补充之前苏德战场将进入一个短暂的休战期。
此时古德里安已经把大量的乌克兰部队调集到了斯大林格勒外围，南方集团军群连续作战。物质已经是严重不足了，就算是古德里安修复了苏联境内的铁路，还有乌克兰的一些工厂提供弹药，但也需要大约十多天时间来补充弹药物质，才有办法动大规模的进攻战。
而现在的战局已经出现了新的变法，一边是古德里安选择直接北上进攻重点防守的斯大林格勒，另一种选择是与德国中央集团军群合作攻击库尔斯克，这需要看隆美尔元如何出招了，现在李默只能安心补充物质弹药，不然一切无从谈起。
哈尔科夫之战给红军造成的人员损失也是相当可观的，德国第4装甲集团军宣布他们一共打死了4o13o名苏联红军，俘虏了743o人，击毁的红军技术兵器包括767辆坦克，1o72门火炮，而根据俄罗斯1993年表的资料。
红军在沃罗涅日到哈尔科夫方向动进攻，到哈尔科夫战役最终结束，红军各参战部队一共死亡失踪被俘了1o万人，受伤和患病14万多人，损失坦克和自行火炮1347辆，各种口径的火炮迫击炮7291门，飞机417架，其中在和德国第4装甲集团军于交战中，损失的兵力大约为3万人，损失坦克和自行火炮约2oo辆。
对于哈尔科夫战役中德军的损失，至今还没有一个全面的统计数字，估计为一万五千人。8
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