מתקפת בלגורוד-חרקוב
מהלך הקרב

המתקפה הסובייטית החדשה תוכננה היטב, וההכנות לקראתה היו נרחבות ומקיפות, וכללו ריכוז כמויות גדולות של ארטילריה בנקודות, בהן תוכננה הבקעת החזית הגרמנית. צפיפות הארטילריה בגזרה בה נועד להתבצע המאמץ הסובייטי העיקרי הייתה חסרת תקדים, והגיעה עד כ-250 קני ארטילריה לק"מ חזית. המתקפה נפתחה ב-3 באוגוסט עם שחר בהרעשה ארטילרית עזה, שארכה כשלוש שעות והממה את המגינים הגרמנים. לאחר מכן תקפו יחידות הרגלים הסובייטיות את קו ההגנה הגרמני הקדמי, בסיוע מסך אש ארטילרי מתגלגל ותקיפות מאסיביות של מפציצים ומטוסי תקיפה מהאוויר. המאמץ הסובייטי העיקרי התמקד בגזרה צרה (ברוחב כ-30 ק"מ) משני עברי העיר בלגורוד, בתפר בין פלגת הארמייה קמפף לבין ארמיית הפאנצר הרביעית. הארמייה ה-53 של חזית הערבה בסיוע קורפוס ממוכן תקפה ממזרח לעיר, ואילו ארמיות המשמר החמישית והשישית מחזית וורונז' תקפו ממערב לה, בין בלגורוד לטומרובקה.
בגזרת המאמץ העיקרי של חזית וורונז' הצליחו יחידות הרגלים להבקיע את החזית הגרמנית ולהתקדם מספר קילומטרים. כבר בשעות הצהריים הטיל פיקוד החזית למערכה את שתי ארמיות הטנקים שלו, שכללו יותר מ-1100 כלי רכב משוריינים, כדי להרחיב את הפרצה בקווים הגרמניים, ולהתקדם לעומק מערך ההגנה הגרמני. שתי הארמיות תקפו זו בצד זו בגזרה צרה מאוד, ועד תום היום הראשון למתקפה התקדמו לעומק של 12–26 ק"מ, והשלימו את הבקעת שתי רצועות ההגנה הגרמניות הראשונות (מרחב ההגנה הטקטי). הייתה זו הפעם הראשונה, בה הופעלו שתי ארמיות טנקים סובייטיות ביחד בגזרה אחת, במהלך המלחמה נגד גרמניה הנאצית. במהלך הימים הבאים של המתקפה המשיכו ארמיות הטנקים של חזית וורונז' להתקדם במהירות דרומה, ועד תום היום החמישי (7 באוגוסט) הגיעו יחידות החלוץ של ארמיית המשמר המשוריינת ה-1 עד לאזור בוגודוכוב, כ-100 ק"מ מנקודת המוצא של המתקפה. הארמייה נתקלה בהתנגדות גרמנית מאורגנת מועטה, ומרבית אבדותיה נגרמו כתוצאה מתקיפות מהאוויר של מטוסי הלופטוואפה, שהחל מהיום השני למתקפה הסובייטית החזירו לעצמם את השליטה בשמיים מעל זירת המערכה.
בגזרה בה החזיקה פלגת הארמייה קמפף נאלץ הקורפוס ה-11, שאוגף משני עבריו על ידי הכוחות הסובייטיים התוקפים, לפנות את העיר בלגורוד, ששוחררה על ידי יחידות מהארמייה ה-69 והארמייה ה-7 של חזית הערבה ב-5 באוגוסט, ולסגת דרומה כדי להימנע מכיתור כוחותיו. באותו יום פתחו הארמיות ה-27 וה-40 של חזית וורונז' במתקפה על הגזרה ממערב לטומרובקה, בסיוע שלושה קורפוסי טנקים וקורפוס ממוכן, שכללו למעלה מ-400 טנקים. המתקפה החדשה הייתה מאמץ התקפי מישני של החזית, שנועד להגן על האגף השמאלי החשוף הכוחות העיקריים שלה מפני התקפות נגד גרמניות, לבודד את זירת המערכה ולמנוע מיחידות תגבורת גרמניות להגיע למרחב חרקוב, ולהרחיב את המתקפה מערבה לכיוון נהר פסל. כבר ביומה הראשון נחלה המתקפה הצלחה, והכוחות התוקפים הבקיעו את החזית הגרמנית והתקדמו לעומק 8–20 ק"מ. במהלך הימים הבאים המשיכו שתי הארמיות המתוגברות להתקדם במהירות לכיוון דרום-מערב ויחידות החלוץ שלהן הגיעו עד לאזור אחטירקה.
הצלחת המתקפה של הארמייה ה-27 גרמה לכך, שהכוחות הגרמניים שהחזיקו באזור טומרובקה (דיוויזיית הפאנצר ה-19 ושתי דיוויזיות רגלים מארמיית הפאנצר הרביעית) מצאו עצמם בסכנת כיתור, והחלו לסגת דרומה בליל 6/5 באוגוסט. אולם ב-6 בחודש כבר הגיעו יחידות ארמיית המשמר החמישית והארמייה ה-27 לאזור בוריסובקה-גולובצ'ינו, תוך שהם תופסים בדרכם מצבורי אספקה גרמניים, וכיתרו את הכוחות הגרמניים הנסוגים. במהלך הלחימה באזור בוריסובקה נאלצו הגרמנים לנטוש או להשמיד 75 טנקי פנתר חדישים, שנמצאו בתיקונים בסדנאות השדה של רגימנט הפאנצר ה-39. אובדן משמעותי ביותר מבחינת הפיקוד הגרמני. למחרת היום הצליחו הכוחות הגרמניים המכותרים לפרוץ את טבעת הכיתור הסובייטית הרופפת, לאחר שספגו אבדות ניכרות, כולל כמה מאות שבויים, ולסגת דרומה.
חזיתה של ארמיית הפאנצר הרביעית עמדה בפני התמוטטות, אך בשלב זה (החל מ-6 באוגוסט) החלו להגיע לזירת המערכה העתודות הגרמניות, במטרה לייצב את החזית הגרמנית, לבלום את המשך התקדמות הכוחות הסובייטיים ולעבור למתקפת נגד. הפיקוד הסובייטי נכשל במאמציו להכריע את המערכה במרחב חרקוב לפני הגעתן, וגם לא הצליח לגרום אבדות משמעותיות ליחידות התגבורת בדרכן לאזור, באמצעות תקיפות מהאוויר. מאזור אוריול בצפון הגיעו דיוויזיית גרוסדויטשלנד ודיוויזיית הפאנצרגרנדיר ה-10, ואילו מאזור הדונבאס ומקו נהר מיוס בדרום, הגיעו דיוויזיית הפאנצר אס אס החמישית (ויקינג) מקורפוס הפאנצר ה-24, ושלוש דיוויזיות הפאנצר של קורפוס הפאנצר אס אס ה-2 - דיוויזיית הפאנצר ה-3, דיוויזיית הפאנצר אס אס ה-2 (דאס רייך) ודיוויזיית הפאנצר אס אס ה-3 (טוטנקמפף). עד 10 באוגוסט הצליח הפיקוד של קבוצת ארמיות דרום לרכז 10 דיוויזיות פאנצר ופאנצרגרנדיר, כמעט כל היחידות הניידות שלו, שכללו למעלה מ-600 כלי רכב משוריינים מבצעיים, בגזרה שהותקפה. בנוסף לכך העביר הפיקוד הגרמני 3–4 דיוויזיות חי"ר מגזרות שקטות של החזית לאזור חרקוב. בשלב ראשון לא הצליחו העתודות הגרמניות לבלום לחלוטין את המשך ההתקדמות של הכוחות הסובייטיים התוקפים, אך הם האטו מאוד את קצב התקדמותם, וגרמו להם אבדות כבדות.
התקדמות ארמיית המשמר המשוריינת החמישית לכיוון חרקוב נבלמה כבר ב-6 באוגוסט באזור זולוצ'יב על ידי יחידות החלוץ של דיוויזיית הפאנצר ה-3. הגרמנים ריכזו באזור זה כוחות נוספים, כולל גדוד הפאנצר הכבד ה-503 (טנקי טיגר) והדיוויזיה ה-167, ובמהלך הלחימה בימים הבאים גרמו לארמיית המשמר המשוריינת ה-5 אבדות כבדות כל כך, עד שב-9 באוגוסט נאלץ הפיקוד הסובייטי להוציא אותה מקו החזית ולהעביר אותה לעתודה, לצורך תגבור וארגון מחדש. יחידות ארמיית המשמר המשוריינת ה-1 המשיכו להתקדם דרומה באיטיות, תוך הדיפת התקפות נגד גרמניות מקומיות. ב-9 באוגוסט הן הגיעו עד לנהר מרציק, שם נתקלו בהתנגדות גרמנית עיקשת. לאחר לחימה קשה הצליחו קורפוס הטנקים ה-6 והקורפוס הממוכן ה-3 לצלוח את הנהר ובבוקר 11 באוגוסט הגיעו לקו הרכבת חרקוב-פולטבה (אחד היעדים המרכזיים של המתקפה הסובייטית) וניתקו אותו במספר מקומות. באותו יום הגיעו יחידות החלוץ של חזית הערבה, ושל הארמייה ה-57, לטבעת ההגנה החיצונית של חרקוב, במרחק 8–11 ק"מ מפרברי העיר.
בשלב זה של הקרב כבר נחלש מאוד כוחן של שתי ארמיות הטנקים של חזית וורונז', בעקבות האבדות הכבדות שספגו בימים הראשונים של המתקפה. בבוקר 12 באוגוסט כללה ארמיית המשמר המשוריינת ה-1 רק 268 טנקים מבצעיים, כולל 71 טנקים קלים (כמחצית מכוחה המקורי), ואילו ארמיית המשמר המשוריינת ה-5 נותרה עם 106 טנקים מבצעיים בלבד בבוקר 11 בחודש. חלק ניכר מכלי הרכב המשוריינים שנפגעו אמנם לא הושמדו לחלוטין, אך עדיין מדובר באחוז אבדות גבוה.
בשעות אחר הצהריים של 11 באוגוסט פתחו שתי דיוויזיות פאנצר של קורפוס הפאנצר אס אס השני בהתקפת נגד מתמקדת ממספר כיוונים על יחידות החלוץ של ארמיית המשמר המשוריינת ה-1 של חזית וורונז', שאיימו על קו הרכבת חרקוב-פולטבה. הם הצליחו לנתק ולכתר מספר יחידות של קורפוס הטנקים ה-6, ואילצו את שאר הכוחות הסובייטיים לסגת צפונה לכיוון בוגודוכוב. המתקפה הגרמנית באזור זה נמשכה ללא הפסקה גם ב-12 וב-13 בחודש, ונבלמה רק בסיוע יחידות של ארמיית המשמר המשוריינת ה-5. הארמייה נועדה במקור לתקוף מאזור בוגודוכוב, במטרה לאגף ולכתר את חרקוב מכיוון דרום-מערב, אך מתקפת הנגד הגרמנית אילצה אותה לעבור למגננה, והפיקוד הסובייטי נאלץ לדחות את המשך המתקפה, שנועדה לכתר את חרקוב. ב-14 באוגוסט נחלשה מתקפת הנגד הגרמנית, וארמיית המשמר ה-6, שנשלחה לתגבר את ארמיית המשמר המשוריינת ה-1, חידשה את ההתקדמות דרומה לכיוון קו הרכבת חרקוב-פולטבה. אולם ב-15 הבקיע קורפוס הפאנצר אס אס השני, שתוגבר ביחידות נוספות, לעורפה של ארמיית המשמר ה-6, גרם אבדות כבדות לשתיים מהדיוויזיות שלה, ואיים לכתר אותה. כתוצאה מכך, נאלצו הארמייה, וקורפוס הטנקים ה-6 שסייע לה, לסגת צפונה לכיוון בוגודוכוב. רק ב-17 באוגוסט נבלמה סופית מתקפת הנגד הגרמנית בגזרת בוגודוכוב, והחזית התייצבה.
במקביל ללחימה באזור בוגודוכוב, נמשכה לחימה עזה גם במרחב חרקוב. על העיר הגנו 4 דיוויזיות רגלים גרמניות ודיוויזיית פאנצר, שפעלו תחת פיקוד הקורפוס ה-11 של פלגת הארמייה קמפף. הכוחות הסובייטיים התוקפים כללו את שלוש הארמיות של חזית הערבה, ואת הארמייה ה-57 של החזית הדרום-מערבית, שהועברה תחת פיקודה. ב-13 באוגוסט הצליחו כוחותיו של קונייב, להבקיע את טבעת ההגנה החיצונית מסביב לחרקוב, והחלו להתקדם לפרברי העיר ממספר כיוונים. ורנר קמפף, מפקד פלגת הארמייה קמפף, חזר וביקש מהיטלר אישור לפנות את חרקוב, לפני שכוחותיו יכותרו. אולם היטלר דרש להחזיק בעיר בכל מחיר, וב-15 באוגוסט הדיח את קמפף, ומינה במקומו את אוטו והלר. הקרבות סביב חרקוב היו קשים מאוד, ושני הצדדים ספגו במהלכם אבדות כבדות. אולם למרות ההתנגדות הגרמנית העיקשת, ומערך ההגנה העמוק והמבוצר שהם הקימו מסביב לעיר, הצליחו כוחות הצבא האדום להבקיע ב-19 בחודש אל הפרברים הצפון-מזרחיים של חרקוב.
בקרבות המשוריינים הבאים של כוח אש ותמרון השמידו דיוויזיות האס אס טנקים סובייטיים רבים. כדי לסייע לארמיית המשמר השישית ולארמיית הטנקים הראשונה, הצטרפה ארמיית הטנקים החמישית לחזית. כל שלוש הארמיות הסובייטיות סבלו אבדות כבדות, וכוחות הטנקים איבדו יותר מ-800 טנקים מתוך כוח ראשוני של 1,112 טנקים. התגובות הסובייטיות עצרו את המתקפה הגרמנית, אך תוכניות ההתקפה הנוספות שלהן בוטלו.
עם הפסקת ההתקדמות הסובייטית סביב בוגודוכוב, החלו הגרמנים כעת לנסות לסגור את הפער בין אכטירקה לקרסנוקוצק. מתקפת הנגד החלה ב-18 באוגוסט, וב-20 באוגוסט נפגשו "טוטנקופף" ו"גרוסדויטשלנד" מאחורי היחידות הסובייטיות. חלקים משתי ארמיות סובייטיות ושני קורפוסי טנקים נלכדו, אולם היחידות הלכודות נהנו מעדיפות על היחידות הגרמניות. יחידות סובייטיות רבות הצליחו לפרוץ תוך כדי שהם סופגות אבדות כבדות. לאחר המפלה הזו התרכזו הכוחות הסובייטים בחרקוב ותפסו אותה לאחר לחימה כבדה ב-23 באוגוסט.