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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发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40，69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70辆，德军则不少于370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200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70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300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50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16～20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4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320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40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，苏德两军发生了激烈的巷战，两天以后德军包围了红军坦克第3集团军，苏联红军统