Приказ на вывод 23–го танкового корпуса из боя запоздал, и к моменту его получения корпус Е.Г. Пушкина продолжал наступление во взаимодействии с частями 266–й стрелковой дивизии. Только в 12.00 18 мая командир корпуса начал вывод из боя двух танковых бригад. 21–й танковый корпус 18 мая также продолжал ставшее уже бессмысленным наступление. Во второй половине дня С.К. Тимошенко приказал вывести 21–й танковый корпус из боя и вместе с 248–й стрелковой дивизией выдвинуть на рубеж р. Берека.

День 19 мая был потрачен сторонами на перегруппировку сил. Наконец-то выведенный из боя 23–й танковый корпус вместо выхода на рубеж р. Берека к исходу 18 мая вышел на этот рубеж к исходу дня 19 мая. Одновременно к исходу дня остатки 9–й армии отошли на левый берег Северского Донца и заняли оборону. 21–й танковый корпус был выведен из боя только в 10.00 19 мая. В 17.20 19 мая последовал приказ командующего Юго-Западным направлением о прекращении наступления 6–й армии и переходе к обороне на достигнутых рубежах. Для обороны на достигнутом 6–й армией рубеже создавалась армейская группа Ф.Я. Костенко. Ей подчинялись 253, 41, 266, 393 и 270–я стрелковые дивизии, 57–я и 48–я танковые бригады, оставляемые на достигнутом наступлением рубеже. Штаб А.М. Городнянского должен был взять под свое управление 21–й и 23–й танковые корпуса, 337, 47, 103, 248 и 411–ю стрелковые дивизии и пытаться разгромить группу Клейста.

Немецкое командование тем временем собирало ударную группировку для наступления в западном направлении. В III моторизованный корпус Э. фон Маккензена были собраны все подвижные соединения группы Клейста: помимо 14–й танковой, корпусу подчинили 16–ю танковую и 60–ю моторизованную дивизии. Одновременно были подтянуты к рубежу Береки 68, 384 и 389–я пехотные дивизии. Советское командование готовилось отражать удар в северном направлении, на Балаклею, навстречу 6–й армии. Однако немецкое командование развернуло свою ударную группировку на 90 градусов и начало наступление в западном направлении, прикрывшись пехотными дивизиями. Последние также заняли оборону вдоль Береки, фронтом на север, напротив прибывающих советских резервов. Практически все запланированные С.К. Тимошенко мероприятия тем самым сводились к нулю. Вообще маневры немцев в процессе образования «котла» под Харьковом следует признать одними из наиболее замысловатых за всю войну.

20 мая началось наступление III моторизованного корпуса на запад, почти параллельно занимаемому резервами Юго-Западного направления фронту. Переданные Маккензену 16–я танковая и 60–я моторизованная дивизия наступали на Лозовую, выходя в тыл оборонявшимся южнее города левофланговым соединениям 57–й армии. Наступавшая на правом фланге III моторизованного корпуса 14–я танковая дивизия в ходе наступления на восток столкнулась с выдвигавшимся с фронта 6–й армии 23–м танковым корпусом Е.Г. Пушкина. Состоялось сражение, оставшееся в истории как «танковая битва у Протопоповки».

Дезорганизовав левый фланг 57–й армии, ударная группировка Клейста разворачивается едва ли не на 180 градусов и возвращается к р. Береке. На этот раз следует наступление в северном направлении, и 22 мая 14–я танковая дивизия устанавливает контакт с частями 44–й пехотной дивизии. Кольцо окружения замыкается. Фронтом на восток встали 14–я танковая и 384–я пехотная дивизия III моторизованного корпуса. Фронтом на запад на пути прорывов из окружения — 16–я танковая, 60–я моторизованная и 1–я горно-егерская дивизии. Вскоре на них обрушились удары изнутри и снаружи «котла».

В окружение под Харьковом попали: пять стрелковых дивизий 57–й армии (14–я гвардейская, 99, 150, 317 и 351–я), восемь стрелковых дивизий 6–й армии (41, 47, 103, 248, 253, 266, 337 и 411–я), две стрелковые дивизии армейской группы Л.В. Бобкина (270–я и 293–я), шесть кавалерийских дивизий 2–го и 6–го кавалерийских корпусов (38, 62, 70, 26, 28 и 49–я), два танковых корпуса, пять отдельных танковых бригад, артиллерийские, инженерные части и различные вспомогательные подразделения.

Для деблокирования окруженных в составе Южного фронта был создан сводный танковый корпус под руководством заместителя командующего фронтом по автобронетанковым войскам И. Штевнева. Первоначально в состав корпуса включались 3–я (8 KB, 9 Т–34 и 16 Т–60) и 15–я (20 Т–34 и 9 Т–60) танковые бригады. К вечеру 23 мая в район сосредоточения для деблокирующего удара прибывают 17 Т–34, 7 Т–60 15–й и 2 Т–34, 13 Т–60 3–й танковых бригад. Остальные танки отстали вследствие поломок, а для KB отсутствовала переправа нужной грузоподъемности. По прибытии на место корпус переформировывают, исключив из его состава слабую 3–ю танковую бригаду. Вместо этого в корпусе оставляют 15–ю танковую бригаду и включают дополнительно: оказавшуюся вне кольца окружения 64–ю танковую бригаду (11 МkII «Матильда», 1 MkIII «Валентайн» и 21 Т–60) 23–го танкового корпуса, 114–ю танковую бригаду (2 МkII, 2 MkIII и 21 Т–60) и 92–й отдельный танковый батальон (8 Т–34, 12 Т–60). Что характерно, временное соединение нескольких танковых бригад именовали именно корпусом, хотя он не имел корпусных частей и соответствующей артиллерии и мотопехоты. Само название «корпус» становилось магическим.

Помимо деблокирующих ударов сквозь занявшие оборону немецкие подвижные соединения, в штабе Юго-Западного направления появлялись и более интересные варианты. Например, была идея пробиться через ослабленный фронт чугуевского выступа. 21 мая К.С. Москаленко был даже дан приказ перегруппироваться и начать наступление к северу от Чугуева. Однако из-за невозможности в срок сосредоточить ударную группировку от этого плана пришлось отказаться.

Поскольку от идеи пробить наиболее слабый участок фронта силами 38–й армии пришлось отказаться, 25 мая сводный танковый корпус начал атаки на внешний фронт окружения. Тем временем внутри кольца окружения были собраны две ударные группировки для прорыва фронта изнутри. Первая группа должна была прорываться всеми оставшимися на ходу танками 6–й армии под командованием генерал-майора Кузьмина (командира 21–го танкового корпуса). На острие прорыва поставили 5–ю гвардейскую танковую бригаду (1 KB, 7 Т–34 и 6 Т–60). Наступать группа должна была из района Лозовеньки навстречу ударам сводного танкового корпуса у Чепеля. Из 22 тыс. человек, которые пошли на прорыв, вышли 5 тыс. и 5 танков 5–й гвардейской танковой бригады (4 Т–34 и 1 Т–60).

Командир гвардейской танковой бригады был ранен и попал в плен. Вторую группу составили бойцы и командиры 6–й и 57–й армий, выведенные из окружения частями 23–го танкового корпуса, возглавлявшимися Е.Г. Пушкиным.

Тем временем позиции оборонявшихся фронтом на восток и запад соединений корпуса Э. фон Маккензена были усилены частями 22–й, 23–й танковых дивизий, а позднее 68–й и 125–й пехотных дивизий. Кольцо окружения становилось все плотнее, боеприпасы у окруженных заканчивались. Всего к 30 мая из окружения вышли в полосу 38–й армии и сводного танкового корпуса около 27 тыс. человек. Спастись удалось немногим. Из 11 487 человек, с которыми 41–я стрелковая дивизия начинала Харьковскую операцию, из «котла» вырвались всего 700–800 человек.

Солдаты армии Паулюса рассматривали брошенные и сожженные автомашины, повозки и танки с буквами «КС» на башне. Они еще не знали, что Германия утратила прерогативу на использование танков в самостоятельных подвижных соединениях. Буквенным кодом с «КС» обозначались машины создававшихся в Красной Армии весной 1942 г. танковых корпусов. Несколько месяцев спустя именно глубокие удары танковых корпусов окружат 6–ю армию в Сталинграде.