19日，苏军第9集团军全线崩溃，苏军左翼被德军突入80千米。为了应对这种致命的威胁，苏军第6集团军向保卢斯的德军第6集团军发起攻击。当日，铁木辛哥元帅命令苏军部队在巴尔文科沃突出部转入防御。
20～21日，苏德双方都在对巴尔文科沃突出部和突出部周围的部队进行部署调整。苏联军队的行动因为德国空军的骚扰和糟糕的通讯条件而一再遭受妨碍。与此同时，苏第28集团军的左翼失去了掩护，这迫使集团军的指挥员调出预备队第34摩托化步兵旅和第32骑兵师来保护自己的侧翼。
22日，德军试图完成对苏军的包围。铁木辛哥命令第38集团军的主力部队去向西突破德军的防线并恢复与德军包围圈内部队的接触，但未成功。
23日，德军克莱斯特集团军群与第6集团军在巴拉克列亚以南会合，切断了苏军由巴尔文科沃突出部向北顿涅茨河对岸退却的道路，完成了对苏军第6、第57集团军的全部和第9、第38集团军部分部队的包围。
德军围歼，苏军溃败(5月24日～5月29日)
5月24日，德国军队进一步加宽封锁带。克莱斯特集团军群的装甲战斗群从第14个装甲师战区向东拓宽了这个包围圈的外圈。同时，德军第60摩托化步兵师和第384、第389步兵师以及第100轻步兵师向西成扇形展开，牢牢挡住了包围圈内苏军的退路。
25日，陷于包围圈内的苏军第317、第393和第150步兵师，第49和第26骑兵师，第5近卫旅、第5和第37坦克旅的残部，向东发起了攻击，试图突围后与第114坦克旅建立联系。
至28日，苏军突围部队遭受了德国炮火和连续的空袭，很快部队就失去了指挥。尽管这样，在遭受了重大损失后，突围部队还是冲破了德军第60摩托化步兵师和第389步兵师的防线。德军第1山地步兵师奉命令向北堵住苏联突围部队的道路。此时，被包围的苏军部队困于到16千米长、3200米宽的范围内。
29日，德军继续进行攻击，苏军第6、第9和第57集团军主力———20个步兵师、7个骑兵师和14个坦克旅的大部被围歼;苏军只有约2.2万人冲破了德第384步兵师的后防线，并与苏军第38集团军恢复了联系。至此，哈尔科夫战役以苏军失利而告结束。
战事评价
此战，苏军有24万人被俘，2026门火炮和1249辆坦克被击毁或缴获，苏联政府首次公开承认了这次战役的失利，其坦率的程度是为了呼吁西方盟友尽快对德开战。
苏军在哈尔科夫交战失利的原因是：西南方向首长和南方面军首长错误判断战役战略形势，缺乏组织周密的协同动作，坦克军进入交战过迟;战役保障不足;军队指挥失误。哈尔科夫交战的结果，苏军西南方面军和南方面军的有生力量和技术兵器遭到很大损失，丧失了北顿涅茨河的战役登陆场，因而不可能进行原定在夏季进行的进攻战役。
对德军来说，此战获胜稳定了南方集团军群的阵地，暂时避免了东部战线的崩溃。不过，德军的胜利是暂时的，并不能扭转自斯大林格勒战役后出现的德军溃败局面。这也是德军在东部战线取得的最后一场胜利。
