Одновременно передовые части 3-й танковой армии столкнулись с оборонительными позициями «Лейбштандарта» на Северском Донце. Две роты мотопехотного полка дивизии занимали позиции на восточном берегу, в нескольких километрах от реки, в Артемовке. После того как к Артемовке вышли разведчики 62-й гвардейской стрелковой дивизии и 52-й мотострелковой бригады 15-го танкового корпуса, эсэсовцы отошли за реку. Северский Донец был уже скован льдом, и советские разведчики без помех форсировали реку, попав, однако, под огонь пулеметов МГ-42. Сражение за Харьков стало одной из первых битв, в которых применялся новый немецкий единый пулемет с высоким темпом стрельбы. Впоследствии пулемет получил прозвище «пила Гитлера». Пулеметный огонь заставил разведчиков отступить и ждать подхода основных сил своих соединений. С одной стороны к фронту подтягивались и занимали оборону части 1-го мотопехотного полка «Лейбштандарта», с другой — подходили основные силы танковых корпусов и стрелковых дивизий армии Рыбалко.
С 6 февраля соединения 3-й танковой армии втянулись в бои за юго-восточные подступы к Харькову. 15-й танковый корпус при поддержке 160-й стрелковой и 48-й гвардейской стрелковой дивизий атаковал Печенеги. 12-й танковый корпус при поддержке 62-й гвардейской стрелковой дивизии атаковал Малиновку и Чугуев. Задействованные со стороны наступающих войск Красной армии танковые силы были минимальными. Так, 30-я танковая бригада 12-го танкового корпуса к моменту начала боев за Малиновку и Чугуев насчитывала один танк Т-34, один танк Т-70, три танка Т-60, 97-я танковая бригада — три КВ, 106-я танковая бригада — один Т-34 и три Т-70. Основным средством борьбы в этих условиях стала артиллерия, корпус Зиньковича с самого начала боев располагал 1172-м легкоартиллерийским полком. «Трехдюймовки» полка поддерживали огнем атаки подразделений корпуса, уничтожая огневые точки на переднем крае и в глубине обороны противника. Обороняющийся располагал традиционными для немецкой пехоты и мотопехоты средствами: 88-мм зенитками, поставленными на прямую наводку. Применению «ахт-комма-ахт Флаков» благоприятствовал господствующий над восточным западный берег реки Северский Донец, который занимали немцы, и характерная для юга страны открытая местность. Зенитные пушки прореживали и без того не поражающие численностью танкового парка бригады. 10 февраля в результате боя за Малиновку было подбито зенитками два КВ из 97-й танковой бригады. Из состава экипажей осталось только два радиста. Потери бригады в целом составили 40 человек убитыми и 47 ранеными. В результате боев численность артиллерии превосходила число танков. В составе 97-й танковой бригады был один КВ, два Т-70, но четыре 76-мм орудия и два 37-мм зенитных автомата. Артиллерия также оказывала действенную поддержку в отражении контратак противника. Проведенная в тот же день, 10 февраля, контратака немецких танков и пехоты закончилась уничтожением одного танка и одной САУ, причем танк был подбит артиллеристами 1172-го легкоартиллерийского полка. После нескольких дней боев танкистам и пехотинцам армии Рыбалко удалось сломить сопротивление эсэсовцев, и в ночь с 9 на 10 февраля Печенеги и Чугуев были взяты штурмом. Северский Донец был форсирован, и до Харькова оставалось всего пара десятков километров по прямой.
Сплошной фронт уже отсутствовал, и командующие наступающими армиями настойчиво искали просветы в построении войск противника для развития успеха. Занимавший широкий фронт полк «Дойчланд» дивизии «Дас Райх» мог вести только сдерживающие бои. Кроме того, его правый фланг не смыкался с оборонявшейся в районе Купянска 298-й пехотной дивизией. Поэтому в первые дни февраля наступление 3-й танковой армии развивалось заметно быстрее, чем продвижение соседней 6-й армии Юго-Западного фронта. Последняя была вынуждена преодолевать сопротивление пехотных дивизий, плотность построения которых была все же большей, чем завеса полка эсэсовской дивизии. Быстрое продвижение 3-й танковой армии привело к образованию ничем не прикрытого открытого фланга пехотных дивизий группы Ланца. 8 февраля П. С. Рыбалко решил использовать этот разрыв фронта для глубокого обхода оборонявших Харьков частей противника. В качестве инструмента для обходного маневра было выбрано наиболее подвижное в зимних условиях соединение — 6-й гвардейский кавалерийский корпус. Он получил задачу «прорваться в полосе действий 6 А (на участке 350 сд) и, следуя по маршруту Андреевка, Бол. Гомольша, Тарановка, отрезать противнику пути отхода на Харьков в юго-западном и западном направлениях»[11]. Кавалерийский корпус был усилен 201-й танковой бригадой. Тем самым кавалерийский корпус, первоначально нацеливавшийся на восточные предместья Харькова, был перенаправлен в обход города с юга. Интересным ходом советского командования было использование для обхода полосы соседней армии. В целом нельзя не отметить тактически грамотного использования подчиненной ему кавалерии со стороны П. С. Рыбалко. Она была брошена в разрыв фронта, а до этого в атаках соединений армии на отдельные узлы сопротивления противника не участвовала. Побочным эффектом от ввода в прорыв в обход Харькова кавалерии было создание своего рода завесы на пути отдельных подразделений «Лейбштандарта», пытающихся установить контакт с окруженной и отходящей на северо-запад 320-й пехотной дивизией. Так, например, небольшая группа, собранная командиром I батальона 2-го мотопехотного полка Хуго Краасом, в ходе рейда в направлении Изюма встретила только части 201-й танковой бригады и 6-го кавалерийского корпуса.
Наступление Воронежского фронта привело к кризису на всем фронте армейской группы Ланца. Северо-восточнее Харькова и в районе Белгорода оборонялись на широком фронте 168-я пехотная дивизия и танкогренадерская дивизия «Великая Германия». Первая непрерывно отступала к Белгороду под нажимом 40-й армии, вторая отступала к северным окраинам Харькова под нажимом 69-й армии. 40-я армия генерал-лейтенанта К. С. Москаленко начала наступление на сутки позже других. 69-я и 3-я танковая армии начали Харьковскую наступательную операцию 2 февраля. Главные силы 40-й армии перешли в наступление в 9.00 утра 3 февраля. Армия была построена в два эшелона. В первом эшелоне наступала ударная группировка в составе 309, 340, 305-й и 100-й стрелковых дивизий. Им была поставлена задача продвинуться к исходу третьего дня на 70 км и достичь рубежа Гнездиловка-Казачье-Шеино-Купино. Второй эшелон составляли 183-я стрелковая дивизия и сводный танковый отряд. В состав последнего вошли 116-я танковая бригада и три отдельных танковых полка. Возглавил сводный танковый отряд заместитель командующего 40-й армией по бронетанковым и механизированным войскам полковник В. Г. Романов. Остальные соединения 40-й армии еще были втянуты в бои по ликвидации окруженного в предыдущей операции противника. Так 4-й танковый корпус оказался связанным в боях под Горшечным. Поэтому в начальной фазе операции 40-я армия наступала, не имея эшелона развития успеха в лице подвижного соединения. Однако слабое сопротивление растянутой на широком фронте 168-й пехотной дивизии больше напоминало марш с преодолением инженерных препятствий. Успешнее всего вперед продвигалась 309-я стрелковая дивизия генерал-майора М. И. Меньшикова. За четыре дня наступления дивизия не только выполнила ближайшую задачу, но и продвинулась на 20 км западнее заданного ей рубежа. Уже 6 февраля дивизия Меньшикова преодолела Северский Донец, овладела населенным пунктом и станцией Гостищево, расположенной на железной дороге Курск-Харьков, в 18–20 км севернее Белгорода. Видя быстрое продвижение 309-й стрелковой дивизии, К. С. Москаленко решил развить ее успех и ввести в бой второй эшелон армии. Уже 4 февраля в полосу наступления 309-й дивизии был направлен сводный танковый отряд. Сюда же была направлена 183-я стрелковая дивизия генерал-майора А. С. Костицына. Оборона под Белгородом была усилена немцами батальоном сопровождения фюрера и венгерской танковой дивизией. Однако большая часть венгерских танков была быстро перебита в течение 7–8 февраля огнем орудий танков Т-34 и противотанковой артиллерией наступающих стрелковых дивизий.
После освобождения Гостищева 40-я армия начала наступление на Белгород с трех сторон. Соответственно 309-я стрелковая дивизия получила приказ продвигаться к городу вдоль железной дороги, т. е. с севера, 340-я — с востока. В бой также была введена 183-я стрелковая дивизия с задачей наступать с северо-запада и отрезать немецкому гарнизону пути отхода из Белгорода на запад и юго-запад. Уже 8 февраля, в 5 часов утра, 183-я стрелковая дивизия с частью сил танкового отряда полковника Романова овладела западной частью Белгорода и оседлала все дороги к северо-западу, западу и югу от него. Тогда же 309-я стрелковая дивизия совместно со 192-й танковой бригадой заняла его северные, восточные и южные окраины. После этого началось постепенное очищение городских кварталов от занимавшей город немецкой пехоты. Наступающие рассекли 168-ю пехотную дивизию на несколько боевых групп в разных кварталах города, об организованном отходе из Белгорода уже не могло быть и речи. В 13.00 8 февраля штаб армейской группы Ланца информировал своего северного соседа, что 168-я пехотная дивизия отходит через город на юг с целью предотвратить дальнейшее наступление советских войск на юг. Но это уже было не более чем благое пожелание. Единственным маршрутом отхода из города стал путь на запад. 168-я пехотная дивизия, численность боевых подразделений которой упала до 2000 человек (что можно было классифицировать не иначе как разгром), откатилась на запад. Дорога войскам 40-й армии на Харьков была открыта. К утру 9 февраля войска 40-й армии полностью очистили Белгород от немцев.
