1941年10月25日，德軍南方集團軍群奪取了烏克蘭東北部工業城市哈爾科夫。在德軍到來前，蘇軍已經將城內的工廠設備和人員撤退到了大后方烏拉爾。德國人渴望得到的機車廠、渦輪機廠、機電廠等大型重工業企業，蘇聯人并沒有給他們留下。即便如此，處于蘇聯中部和南部連接位置的哈爾科夫和沃羅涅日仍然有重要的軍事意義，也成了雙方在1942年夏季攻勢中首先爭奪的目標。
在德軍統帥部制定的1942年東線作戰計劃，即“藍色”方案中，希特勒將進攻的重點定為蘇聯南部，最終目標是奪取蘇聯高加索地區的產油區。為了能夠確保德軍南下安全，德軍在奪取高加索地區前，必須將戰線推進到頓河一線，使南下的德軍后方安全無虞。
需要特別指明的是，德軍統帥部制定的藍色方案對蘇德戰場的后續進程產生了決定性的影響。因其將主要兵力和進攻方向選擇在蘇聯南部，蘇德戰爭在以后的2年中，主要戰事均發生在南線。莫斯科、列寧格勒地區的德軍中央集團軍群和北方集團軍群從此轉為守勢。
根據藍色方案，德軍沿頓河一線的首要目標是上游的沃羅涅日和中下游的斯大林格勒。為此，“藍色方案”分成四個步驟，依次進攻頓河沿線的蘇軍。“藍色1號”的目標是沃羅涅日，“藍色2號”的目標是頓河西岸，“藍色3號”是斯大林格勒，“藍色4號”是頓巴斯及頓河下游南岸地區，那里已經到達高加索山脈，蘇聯的產油區。
蘇軍統帥部在年初制定的1942年作戰計劃中，將全年的作戰原則定為：“采取積極防御措施，遏制德軍的進攻，同時積蓄強大的預備隊，伺機向德軍反攻，并將德軍擊潰。”
由于斯大林判斷德軍在這一年的進攻重點仍然是莫斯科，所以蘇軍將主要兵力仍然部署在勒熱夫至庫爾斯克一線。盡管后來從各方情報匯總的消息表明，德軍的進攻重點是南方，斯大林還是將主要兵力部署在這里。
在蘇聯南部地區，從骨子里厭煩防御的西南方面軍司令員鐵木辛哥對統帥部制定的防御策略并不贊同。他不愿意靜靜地等待德軍來進攻，而是主張在自己的防區向德軍反攻。1942年春季以來，蘇軍西南方面軍的實力也有所增強，這更讓鐵木辛哥堅信蘇軍有能力將德軍擊退。
在1942年3月舉行的統帥部軍事會議上，鐵木辛哥正式提出在南線發動局部攻勢，以奪取1941年丟失的哈爾科夫，并將戰線推進到第聶伯河一線，甚至收復基輔。
他的意見遭到了沙波什尼科夫的反對，這位斯大林極為尊重的蘇軍元帥曾經擔任蘇軍總參謀長，后因為身體原因將職務交給了華西列夫斯基。沙波什尼科夫認為，蘇軍沒有足夠的預備隊，目前最好還是積極防御。朱可夫則主張僅僅在他負責的莫斯科方向發動進攻，其他地區應該采取守勢。
斯大林對二人的“消極”意見很不以為然，在朱可夫的回憶錄中稱，斯大林打斷了沙波什尼科夫的話，頗為激動地表示：“我們豈能坐等德國人首先突擊，需在寬大的正面上先敵實施一系列的突擊，這樣才能摸清敵人的準備情況。朱可夫提出的在西方向上展開進攻，而在其他方向上實施防御，我認為這是個不徹底的治標辦法。”
最終，在斯大林絕對權威下，蘇軍推翻了剛剛制定的“1942年全年采取積極防御”的基本作戰原則，決定在南線發起反攻，要求西南方面軍首先奪取哈爾科夫，然后視戰場情況再決定下一步行動。
1942年3月30日，由西南方面軍參謀長巴格拉米揚制定的作戰計劃提交到蘇軍大本營，確定1942年4月～5月西南方面軍的作戰目標：奪取哈爾科夫城，然后變更部隊的部署，從東北發起突擊，拿下第聶伯彼得羅夫斯克和西涅爾尼科沃。
在哈爾科夫地區東南，蘇軍在之前的作戰中保留了一處突出部，這個突出部的根部是巴拉克列亞和斯拉維揚斯克，頂部在洛佐瓦亞的西南。這里威脅著德軍第6集團軍駐守的哈爾科夫至第聶伯彼得羅夫斯克之間的交通線，也可以作為蘇軍進攻的理想出發地。
在這個稱作“巴爾文科沃突出部”（或伊久姆突出部）的地方，也是蘇軍西南方面軍和南方方面軍的結合部。現如今的西南方面軍，已經不是幾個月前只剩下幾個被打殘的集團軍的時候了。鐵木辛哥手下有4個齊裝滿員的集團軍和1個集團軍級集群。同時，作為西南方向總指揮，他還節制馬利諾夫斯基指揮的南方面軍部隊。
蘇軍從北到南依次部署第21、第28、第38、第6集團軍和博布金集團軍級集群。其中擔任主要突擊任務的是亞貝舍夫中將指揮的第28集團軍和戈羅德尼揚斯基指揮的第6集團軍，兩個集團軍將分別從哈爾科夫的東北、東南方向實施突擊。
戈爾多夫指揮的第21集團軍負責掩護第28集團軍的右翼；曾經堅守哈爾科夫的第38集團軍現如今跟進更換了指揮員，改由莫斯卡連科擔任司令員。他的集團軍處于哈爾科夫正東面，負責在這個方向發起輔助進攻；在第38集團軍的左翼，就是另一支擔任突擊任務的第6集團軍，該集團軍的進攻出發地就在“巴爾文科沃突出部”的根部巴拉克列亞；博布金的集團軍級集群負責堅守突出部頂端的洛佐瓦亞，保護第6集團軍的左翼，進攻發起后，與第6集團軍一道實施突擊。
在突出部的南端是馬利諾夫斯基指揮的南方面軍的兩個集團軍，分別是部署在突出部根部斯拉維揚斯科的第9集團軍，以及在其身后的第57集團軍。此外為了加強西南方面軍的突擊能力，蘇軍統帥部還給方面軍調撥了第21、第22和第23坦克軍，以及9個獨立坦克旅，上述坦克部隊給方面軍增加了925輛坦克。參加這次反攻的蘇軍共8個集團軍，總兵力76.5萬人、1200輛坦克、1.3萬門火炮和迫擊炮和926架作戰飛機。
鐵木辛哥的實力可謂雄厚，他在幾個月前曾以劣勢兵力取得了羅斯托夫戰役和葉列茨戰役的勝利，這也讓他對自己的指揮能力充滿了信心。現如今他手中有這樣的兵力，自己沒有理由不去爭取更大的戰績。
然而，他忽視了蘇聯情報系統提供的信息，德軍南方集團軍群已經不是去年冬季那個缺少補給和過冬裝備的疲憊之師，他們不僅得到了休整，還在漫長的冬季得到了加強。
不僅如此，蘇軍在戰前就有一個細節暴露的他們存在的戰術落后的問題。分配給第38集團軍的第22坦克軍，并沒有集中使用，而是將坦克分散給了各個步兵師。這說明蘇軍對坦克在進攻中的作用還缺少認識，這種問題在戰役開始后，又一次得到印證。
德軍統帥部并沒有預料到蘇軍會在哈爾科夫發動進攻，他們的情報系統沒有給出預警。在整個二戰期間，德國的情報部門都缺少亮點。德軍沒預料到蘇軍會進攻的另一個原因是出于軍事常識，在1942年初，德軍的實力依然強大，經過冬季的整補，東線德軍還保持著300多萬的兵力，而且還有仆從國的100多萬軍隊，兵力并不比1941年戰爭爆發時少。而且新組建的師和給各師補充的新兵也都是經過嚴格訓練的，戰斗力依然強悍。相比之下，蘇軍的兵力雖然比戰爭爆發初期更多，但兵員素質是下降的。
在德軍夏季進攻計劃中，消除“巴爾文科沃突出部”是德軍進攻計劃的序幕。這個突出部威脅著德軍南方集團軍群北端第6集團軍和后方的交通安全。奪取這里不僅可以消除德軍的威脅，還可以作為德軍實施“藍色方案”的出發地。
德軍的計劃是第6集團軍從哈爾科夫出發向，會同“克萊斯特集群”（第1裝甲集團軍和第17集團軍一部）分別北和南攻擊突出部的根部巴拉克列亞和思維揚斯克。其中，德軍第6集團軍當面是蘇軍第6集團軍，因蘇軍提前發起進攻未能順利實施進攻計劃；南面的克萊斯特集群則如期展開進攻，并成為這次戰役的關鍵。
由于在未來的夏季攻勢中擔負重要的進攻任務，德軍第6集團軍獲得了更多的加強。該集團軍在蘇軍進攻前下轄4個軍14個師、兵力33萬人，其中包含2個裝甲師和1個摩托化師，坦克300多輛。另外還有1個羅馬尼亞師和2個匈牙利師。
在1942年1月，德軍第6集團軍又更換了主官，由曾經擔任過該集團軍參謀長的保盧斯出任司令。不僅是第6集團軍，德軍南方集團軍群也更換了主將。賴歇瑙剛剛擔任集團軍群司令不久，就因突發心臟病丟掉了性命。被希特勒誤解而遭到解職的前任集團軍群司令倫德施泰特在不久前有了新的職位－西線總司令，所以希特勒啟用賦閑在家還不到1個月的前中央集團軍群司令馮·博克擔任南方集團軍群司令。
保盧斯的集團軍是將第29軍部署于防線最北端的別爾哥羅德；向南是第17和第51軍，部署在北頓涅茨克河丘古耶夫橋頭堡，防御哈爾科夫東北和正東方向；第8軍部署在哈爾科夫東南地區；在第8軍的右側則是羅馬尼亞的第4步兵師。集團軍的2個裝甲師（第3、第23裝甲師）作為集團軍預備隊部署在防線縱深。
在德軍第6集團軍防線的南部，是南方集團主力。越過中段德國和羅馬尼亞混編的第6軍；德軍在斯拉維揚斯克以南地區集結了16個師的重兵集團，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特指揮，準備突破蘇軍第9集團軍的防線，與德軍第6集團軍一道殲滅在“巴爾文科沃突出部”的蘇軍。
在克萊斯特的身后至亞速海岸，南方集團軍群其余部隊和蘇軍南方面軍的4個集團軍對峙。
由此可見，德軍的兵力并不比蘇軍少，在蘇軍進攻當面共有30多個師，兵力超過60萬人。如果考慮到德軍的裝備和戰斗力素質更高，蘇軍其實在實力上仍然弱于德軍。
1942年5月初，在鐵木辛哥即將發起進攻前，南方面軍第9集團軍偵察到自己防線正面集結了德軍第3裝甲軍（屬于克萊斯特集群），這完全可以證明德軍要向這里發起新的攻勢。但這個情報沒有被鐵木辛哥重視，蘇軍還是如期發起了進攻。
1942年5月11日，蘇軍開始對哈爾科夫實施空襲。次日晨7時30分，經過1個小時的炮火準備后，蘇軍開始從東北和東南方向同時發起進攻。
在哈爾科夫的東北方向，蘇軍第28和第38集團軍的進攻重點是舊薩爾科夫，在這里防御的是德軍第17軍第294步兵師。為了盡快達成突破，蘇軍集中了7個步兵師和5個坦克旅。經過激戰，向德軍縱深推進10公里。
在哈爾科夫東南方向，蘇軍第6集團軍在1個坦克旅的引導下，向德軍第8軍陣地發起進攻。由于蘇軍將主要兵力集中在一點，形成了局部兵力絕對優勢，進攻很快就達成了突破。隨后，博布金集群和第6騎兵軍從突破口投入戰斗。至當日日終，蘇軍在哈爾科夫東南方向打開了一條40公里寬的突破口，向縱深推進16公里。
德軍有些措手不及，保盧斯向第17軍第294師防御地區緊急增調了預備隊的2個裝甲師，馮·博克則將集團軍群預備隊的第305步兵師派給保盧斯，以充實他手中的預備隊。
5月13日，德軍第23裝甲師在步兵的支援下，開始蘇軍第38集團軍南翼展開反擊；同時第3裝甲師也向蘇軍第38集團軍北翼反擊。由于莫斯卡連科沒有集中使用第22坦克軍，其第38集團軍在進攻的前兩天就消耗掉了很多被分散使用的坦克。當德軍的裝甲部隊反擊時，蘇軍無法集中坦克和德軍對抗。很快，蘇軍的陣地就被德軍沖散，在炮兵的支援邊打邊撤。
這樣一來，德軍成功地遏制了蘇軍擴大突破口的企圖，而且威脅著此前突入德軍舊薩爾托夫地區蘇軍的兩翼，也限制了蘇軍在哈爾科夫東北方向的進攻。
相比之下，蘇軍第6集團軍和博布金集群在哈爾科夫東南方向的進攻比較順利，他們在進攻的前3天，向德軍縱深已經推進了25~50公里。尤其是第6騎兵軍插入德軍陣地最深，他們已經推進至克拉斯諾格勒，這里已經是哈爾科夫的西南地區，德軍第6集團軍有被蘇軍包圍在哈爾科夫的危險。
5月14日，馮·博克向德軍統帥部請求推遲“藍色方案”實施時間，將用于南線進攻的部隊抽調出一部分增援保盧斯。希特勒和陸軍總參謀長哈爾德則不同意馮博克的意見，他們認為與其被動防御，還不如按照原計劃，堅定地在南線發起攻擊。這樣不僅可以牽制蘇軍在哈爾科夫方向的進攻，而且依靠德軍裝甲部隊的快速突擊能力，完全可以扭轉局面，擊敗當面的蘇軍重兵集團。
此時的鐵木辛哥對戰事的進展感到滿意，西南方面軍司令部也洋溢著勝利的氣氛。5月15日，鐵木辛哥向斯大林報告：“戰役正順利展開，我們將為布良斯克方面軍和西南方面軍下一步進攻創造有利條件。”
不知道出于什么原因，鐵木辛哥此前沒有打出手中的兩支攻堅利器－第21和第23坦克軍。他后來解釋說，戰場上還沒有出現合適的時機。5月15日，鐵木辛哥認為最佳時機已經出現，遂決定動用手上的兩個坦克軍，在進展順利的南線繼續向德軍縱深推進。
但蘇空軍沒能給他們提供有效的空中支援，實力更強的德國空軍已經掌握了哈爾科夫地區的制空權，使蘇軍地面部隊調動越來越困難。而且更糟糕的是，當蘇軍第21和第23坦克軍用了2天時間完成進攻調度后，德軍克萊斯特集群也向蘇軍發起了進攻。
5月17日凌晨4時，克萊斯特的坦克集群開始向巴爾文科沃突出部南面根部發起攻擊，當面是自己多次擊敗過的蘇軍南方面軍第9集團軍。戰斗進行2個小時后，德軍取得突破，第一天深入蘇軍防線40公里。蘇軍左翼退往北頓涅茨克河，右翼退往巴爾文科沃，羅馬尼亞部隊則切斷了供應蘇軍油料的管道。
與此同時，保盧斯在哈爾科夫東北地區也發起反擊，第3裝甲師切入蘇軍第28和第38兩個集團軍的結合部，將其聯系切斷。
鑒于戰場形勢急轉直下，蘇軍總參謀長華西列夫斯基于5月17日當晚向斯大林建議，西南方面軍應立即停止進攻，從突擊集團中抽調出坦克部隊，向德軍克萊斯特集群發起反擊。有些猶豫的斯大林和前方將領進行了溝通，方面軍司令員鐵木辛哥和方面軍軍事委員赫魯曉夫都表示要繼續進攻。斯大林遂決定維持原進攻計劃不變，蘇軍因此丟掉了糾正錯誤的時機。
情況在迅速惡化，克萊斯特的進攻正在一步步逼退蘇軍第9集團軍，并于18日攻占了巴爾文科沃和伊久姆，擔任突擊箭頭的正是此前蘇軍第9集團軍偵察得知的德軍第3裝甲軍的2個裝甲師、1個摩托化師、1個輕裝師（殲擊師）和1個山地師。
當天，華西列夫斯基冒著極大風險，再次向斯大林建議停止進攻，從突擊集團中抽調出兵力堵住克萊斯特的推進。赫魯曉夫也通過斯大林曾經的秘書馬林科夫，向斯大林轉達了停止進攻的請求。但斯大林還是沒有同意，因為鐵木辛哥向他報告：克萊斯特的威脅不大，如果統帥部能夠給他一些預備隊，阻止住克萊斯特的推進，那西南方面軍會在哈爾科夫取得重大勝利。
不知道斯大林當時出于怎樣的考慮，統帥部預備隊部署到位需要幾天的時間，可是形勢已經沒有時間讓蘇軍完成部隊從遠距離調動。當時他還是下達了相關命令，決定讓鐵木辛哥繼續向哈爾科夫進攻。
一場災難降臨了！
5月19日，蘇軍第6集團軍的屁股都要被德軍燒著了，他們再也不顧鐵木辛哥的命令，掉過頭來沖向克萊斯特。但為時已晚，蘇軍第6集團軍前后都是德軍。在他們折返以后，德軍第6集團軍第8軍轉入反擊，企圖和克萊斯特一道把巴爾文科沃突出部變成一個包圍圈。
與此同時，保盧斯命令哈爾科夫東北方向的部隊也轉入反擊。幾天前調到那里的第3和第23裝甲師連同步兵第44師組成了一個快速集群，首先切斷了蘇軍第28和第38集團軍的退路，然后繼續南下到達丘古耶夫。德軍的企圖是南北4個裝甲師對進，將蘇軍兩個方向進攻的部隊全部合圍。
在這期間，德空軍也頻繁出動，以平均每天700多架次的規模，向蘇軍地面部隊，特別是坦克集群發起空襲，蘇軍的坦克軍、坦克旅損失慘重。在德軍的立體打擊下，蘇軍的抵抗從英勇變成無序，從無序變成崩潰。
5月23日，德軍南北兩支裝甲集群會合，由此切斷了巴爾文科沃突出部內蘇軍的退路。隨后，德軍的裝甲部隊插入到巴拉克列亞以西，又將蘇軍被包圍的部隊分割成兩段。
在此期間，德軍和蘇軍的坦克爆發了大規模的坦克戰，德軍投入的是第14、第16、第3和第23裝甲師，蘇軍投入的是第37、第28和第198坦克旅。由于步兵已經跑光了，蘇軍的坦克是孤軍作戰。有些T-34坦克是被擊傷后，又被德軍步兵用炸藥炸毀的。有些是被德軍75毫米長管火炮擊毀的。在付出相當的代價后，德軍消滅了蘇軍的坦克集群。
在包圍圈中的蘇軍有20萬之眾，他們包括南方面軍第57集團軍，西南方面軍第6集團軍、博布金集團軍級集群、第38集團軍一部。而且在這個包圍圈中還包括西南方面軍副司令員科斯堅科，以及多位高級將領，一切似乎回到了1941年的夏天。
由于是進攻期間被陷入重圍的，蘇軍也沒有防御工事可以依托。德軍南方集團軍群司令馮·博克命令炮兵先向蘇軍實施猛烈炮擊，空軍在空中實施打擊，以加劇蘇軍的恐慌情緒，喪失戰斗意志。很多蘇軍沒有放棄突圍的欲望，他們高喊著口號，四處向德軍反撲，希望能夠找到德軍的薄弱地帶，也的確有很多蘇軍逃出了包圍圈。
鐵木辛哥盡了司令員的最后一點義務，他命令第38集團軍在包圍圈外的部隊實施求援。該集團軍在隨后的行動中，也成功地救出了2.2萬名被圍蘇軍。
被圍的蘇軍將領中，方面軍副司令員科斯堅科于5月26日陣亡。期間陣亡的將領還包括第57集團軍司令員波德拉斯中將、第6集團軍司令員哥羅德揚尼斯中將、集團軍級集群司令員博布金少將、第57集團軍炮兵指揮官馬利阿諾夫少將和第6騎兵軍軍長玻利索夫少將。第57集團軍參謀長阿尼索夫在包圍圈中自殺身亡；被俘的將領中，有些死于集中營，有些活到了戰后被蘇軍解救，后來又恢復了軍職。
5月29日，包圍圈內的戰斗結束了，大部分蘇軍成了德軍的俘虜。連同此前作戰中的損失，蘇軍在戰役中共損失了27.7萬人，其中純減員17.7萬人（含陣亡、被俘、失蹤）。德軍還擊毀和繳獲了1200多輛坦克、2000多門火炮。德軍的損失要小得多，第6集團軍損失2萬人，克萊斯特集群損失1.2萬人，合計3.2萬人。
早在戰役結束的10天前，希特勒命令空軍緊急向德軍前線送去了香檳酒。德軍在夏季攻勢的一開始，就取得了如此輝煌的戰果，是應該開香檳慶祝一下了。尤其是保盧斯，他更加敬重賞識和提拔自己的元首。如果不是統帥部堅持按原定計劃實施進攻，戰役的結局是什么樣子還不好說。他可能不會等到冬天的斯大林格勒，提前半年就被包圍在哈爾科夫。
因此，保盧斯越來越篤信希特勒的指示，而不愿意遵守前線上司的命令。這也為這個平民出身的將領在斯大林格勒的悲劇埋下了伏筆。
鐵木辛哥的命運遇到了轉折，這一次慘敗讓斯大林對他徹底失去了信任。6月21日，蘇軍統帥部撤銷西南方向總指揮部，鐵木辛哥只負責指揮西南方面軍的部隊。不久，斯大林將華西列夫斯基派到西南方面軍，以“幫助”鐵木辛哥作戰。而這也僅是鐵木辛哥走下坡路的開始。
