Po porazu nemških sil pri Moskvi pozimi 1941-1942 so bile sovjetske oblasti prepričane, da je nastopil čas, da prevzamejo iniciativo v svoje roke. Na več odsekih sovjetsko-nemške fronte je Rdeča armada prešla v množično ofenzivo s ciljem odbiti in uničiti sovražnika, a nikjer ni dosegla pomembnejših uspehov.
Na severovzhodu Ukrajine so se Sovjeti kljub temu zarezali 100 kilometrov v nemško obrambo (t. i. Barvenkovska izboklina). Iz tega položaja bi lahko ogrozili boke tamkajšnjih nemških sil, udarili proti velikemu industrijskemu središču Harkovu, nato pa se morebiti prebili do reke Dneper. Po drugi strani pa je grozila nevarnost, da bodo Nemci ustavili prodor in Rdečo armado ujeli v kotel.
12. maja 1942 so sovjetske sile začele napad v smeri Harkova. Napadali so tako iz smeri Barvenkovske izbokline, kot tudi iz mesta Volčansk na severu. V treh dneh težkih bojev so se prebili 35-50 km, 15. maja pa so se v predmestju Harkova pojavili sovjetski tanki.
Istega dne je Nemcem z ogromnimi napori uspelo zadržati sovjetsko ofenzivo. Po dveh dneh je armadna skupina Kleist ob podpori letalstva udarila po najnevarnejšem delu sovjetske obrambe, v območju "grla" ofenzive. "Prva sovjetska obrambna linija je klonila pod točo bomb in granat. A ti, ki so preživeli ta pekel, so izkazali močan odpor. Nek sovjetski bataljon, katerega položaje je napadal 466. grenadirski polk, se je držal do zadnjega moža. Na položajih so kasneje našli 450 padlih sovjetskih vojakov," se je spominjal častnik nemške 257. pehotne divizije.
V teh nekaj mesecih obstoja Barvenkovske izbokline Sovjeti niso uspeli postaviti zadovoljive obrambe. Nemci so se vztrajno prebijali naprej in razbijali dele sovjetske 9. armade in rezerv, ki so prihitele na pomoč. Celotni sovjetski udarni skupini, ki je medtem še vedno nadaljevala z ofenzivo na Harkov, je grozila obkolitev.
"Boji pri Harkovu so bili zame najtežji v vsej vojni. Ta stalna bombardiranja, strašne izgube, zmedenost naših poveljnikov, odsotnost streliva ..." se je spominjal poročnik Jevgenij Okišov.
Sovjetsko poveljstvo je podcenilo razsežnosti nemškega napada in šele 19. maja dalo ukaz ustaviti ofenzivo na Harkov in se lotiti nasprotnika, ki se je medtem zajedel v hrbet. "Ključnega pomena je bilo v času izvesti pregrupirati množico enot, ki so bile razporejene na velikih razdaljah. Takrat tega še nismo znali učinkovito izvesti," je menil poveljnik 38. armade general Kirill Moskalenko.
22. maja se je armadna skupina Kleist, ki je prodirala z juga, 10 km pred mestom Balakleja združila z dvema tankovskima divizijama 6. armade Friedricha Paulusa, ki je prodirala s severa in s tem sklenila krog okoli sovjetskih sil. V kotlu se je znašlo 16 strelskih in 6 konjeniških divizij, 12 tankovskih in 2 motorizirani brigadi – vsega skupaj 200.000 mož. Medtem so Nemci sovjetske sile, ki so napadale s strani Volčanska, odbili nazaj na njihove začetne položaje.
Nemci so metodično stiskali obkolitveni obroč, pri čemer so uničevali ali pa zajemali dele sovjetskih čet, vse poskuse deblokade pa so v kali zatrli. Do 29. maja so se sovjetske sile bojevale v obroču ob veliki zračni premoči nasprotnika, pomanjkanju goriva, streliva in hrane. Iz obroča se je uspelo prebiti le 22.000 vojakom.
26. maja je poveljnik nemške armadne skupine Jug generalfeldmaršal von Bock obiskal svoje enote, ki so stiskale obroč okoli Sovjetov: "Povsod ista slika; nasprotnik kljub vsemu zdaj tu zdaj tam poskuša prebiti obroč, a je tik pred porazom. Z dvignjenega položaja, jugovzhodno od Lozovenke, je bilo moč videti, kako naše baterije, ki streljajo z vseh smeri v zadimljeni kotel, dobivajo vedno šibkejši odgovor … Skupine ujetnikov so se stekale v zaledje, naši tanki in enote 1. gorske divizije so krenile v napad. Kako neverjeten prizor!"
Po t. i. drugi harkovski bitki so Sovjeti izgubili okoli 270.000 mož (padlih, ranjenih ali zajetih). Mnogi znani vojaški poveljniki so padli ali storili samomor, vključno z vsaj desetimi generali. Izgube na nemški in romunski strani so znašale le nekaj čez 30.000 mož.
Harkovska katastrofa je bistveno oslabila sovjetski položaj na južni in jugovzhodni fronti ter onemogočila vsakršno ofenzivno delovanje. Nemci so dobili priložnost, da ponovno prevzamejo strateško iniciativo in mesec dni kasneje izvedejo operacijo Blau, s katero so se prebili do Severnega Kavkaza in Stalingrada.