9 марта корпус СС продолжал успешно продвигаться на север, захватив Люботин, Ольшаны, Солоницевку. Слева мотодивизия «Великая Германия» и 320-я пехотная дивизия нацелились на Богодухов. Брешь между 69-й и 3-й танковой армиями достигла 45 километров. Генералу Рыбалко, удерживающему южные подступы, все время приходится пятиться и заворачивать свой правый фланг фронтом на запад. Учитывая тяжелое положение Воронежского фронта, Верховное Главнокомандование передало ему 2-й и 3-й гвардейские и 18-й танковые корпуса. Реальную боевую силу представлял лишь 2-й гвардейский, два других — остатки подвижной группы Попова. К примеру, 18-й танковый корпус имел на момент передачи лишь 6 (шесть) боеготовых легких танков. На усиление 3-й танковой армии прибыли 86-я танковая бригада и 303-я стрелковая дивизия.

Вечером обергруппенфюрер Хауссер получил приказ, подписанный командующим 4-й танковой армией, на взятие Харькова: дивизия СС «Дас Рейх» атакует город с запада, «Лейбштандарт «Адольф Гитлер» — с севера и северо-востока, дивизия «Мертвая голова» прикрывает их действия от советских ударов с северного направления. 48-й корпус силами 11-й танковой дивизии обеспечивает южный сектор: «Следует использовать возможности взятия города одним ударом».

10 марта немецкие войска продолжали наступление. Их поддерживали крупные силы авиации, которые наносили удары по советским войскам на поле боя, по Харькову и всем ведущим к нему дорогам. Дивизии «Лейбштандарт» и «Мертвая голова» прорвали оборону 6-го гвардейского кавкорпуса в районе Дергачей, повернули на восток и прочно заперли город с севера. 3-я танковая армия заняла оборону на западной и северо-западной окраинах Харькова. В ее состав вошла 19-я стрелковая дивизия, которая приняла участок в районе Солоницевки, как раз напротив позиций изготовившегося к штурму полка «Дойчланд».

Что касается 69-й и 40-й армий, то они успешно отступали на северо-восток «под натиском превосходящих сил противника». В ночь на 11 марта штаб генерала Казакова покинул Богодухов и убыл в Казачью Лопань, получив задачу организовать прикрытие шоссе Харьков — Белгород на линии Салтов — Липцы — Прудянка — Золочев. Причем «второй эшелон штаба», не задерживаясь, предусмотрительно отправили на противоположный берег Северского Донца. Штаб Москаленко из Тростянца переместился в Грайворон, через который проходила еще одна дорога на Белгород, новый рубеж армии пролегал по линии Золочев — Краснополье.

В Ставке ВГК сообразили, что противник, наверное, все-таки не собирается уходить за Днепр, а, наоборот, вынашивает самые гнусные намерения. В директиве, направленной маршалу Василевскому, командующим Центральным и Воронежским фронтами указывалось, что противник на самом-то деле стремится от Харькова через Белгород прорваться к Курску и соединиться со своей орловской группировкой для «разрушения тылов всего Центрального фронта». В связи с этим было принято решение выдвинуть в район севернее Белгорода, «навстречу поднимающемуся на север противнику», 1-ю танковую и 21-ю общевойсковую армии с задачей разгромить подступающего врага и ликвидировать создавшуюся угрозу. Одновременно принимались меры для срочной переброски в распоряжение командующего Воронежским фронтом 64-й армии, находившейся под Сталинградом. Но все эти силы прибывали слишком поздно и не могли оказать влияния на исход боев за Харьков.

С утра 11 марта корпус Рауса занял Тростянец, Ахтырку и Богодухов. Танки дивизии «Лейбштандарт» ворвались в Харьков со стороны Белгородского шоссе; с запада, отбивая непрерывные советские контратаки, наступала дивизия «Дас Рейх». Штурмовые немецкие отряды дошли до центра города и заняли дом Госпрома. Узнав об этом, начальник обороны города генерал Козлов, оставшийся без войск — все, кроме чекистов и саперов, уже находились в подчинении командующего 3-й танковой армией, — не имевший связи и ничем не управлявший, окончательно доверил «хозяйство» генералу Рыбалко и выехал в неизвестном направлении Итоги чудной организации, своеобразного разделения труда и мгновенной «передачи дел»:

«Построенная оборона принесла мало пользы, хотя сил и средств на нее потрачено было много. Построенные огневые точки и баррикады были не использованы из-за отсутствия достаточного количества огневых средств у начальника обороны. Частям, обороняющим город Харьков, схемы оборонительных сооружений штаб обороны не дал, в силу чего и не все укрепления были частями использованы. Заблаговременно эти укрепления никем не занимались, а отходящие части в лучшем случае случайно на них натыкались и использовали. В большинстве же случаев не использовались вовсе. Передача обороны Харькова 3-й танковой армии начальником обороны была произведена по причинам отсутствия у него надлежащих средств управления обороняющимися частями и в момент, когда уже штабу 3-й танковой армии было поздно изучать участки обороны, рубежи и части, обороняющие город. Поздно было заниматься и перегруппировкой сил, хотя это диктовалось обстановкой».

Тем не менее, по признанию противника, «русские дрались превосходно». Установленные в подвалах 76-мм пушки и контролирующие перекрестки «тридцатьчетверки» вели огонь вдоль улиц, разместившиеся на крышах снайперы выводили из строя командный состав, минеры, притаившиеся в подъездах домов, использовали связки мин на тросах, которые они вытягивали прямо под гусеницы вражеской бронетехники.

К исходу дня 12 марта защитники вынуждены были отойти за реку Лопань, оставив северную и северо-восточную части города. Но и в «Лейбштандарте» осталось всего 17 исправных танков Pz. IV и 6 Pz. III. Все «тигры» находились в ремонте, а два были потеряны безвозвратно. В этот момент генерал Гот вспомнил об опыте Сталинграда и, придя к выводу, что уличные бои могут затянуться и привести к большим потерям, отдал приказ вывести из боя дивизию «Дас Рейх», в ней числилось в строю 8 танков Pz. III и 6 штурмовых орудий, и совместно с частями дивизии «Мертвая голова» направить ее в обход Харькова с тем, чтобы полностью замкнуть кольцо окружения. Хауссер с этим решением был несогласен, но вынужден был подчиниться. Основные силы дивизии «Дас Рейх» вышли из города, а «Лейбштандарт» продолжил штурм.

Тем временем 13 марта немецкие войска, обходя Харьков по часовой стрелке, заняли Рогань, а 14 марта захватили Терновую, Лизогубку и Водяное, 15 марта — Чугуев, соединившись с дивизиями 48-го танкового корпуса и перерезав последние коммуникации 3-й танковой армии.

Командующий Воронежским фронтом разрешил оставить Харьков; главное командование Вермахта объявило о великой победе «после дней тяжелой борьбы».

В городе еще кипели бои, продолжали сражаться части 19-й стрелковой дивизии, 17-й бригады НКВД, 179-й и 86-й танковых бригад. В районе Жихар — Безлюдовка оборонялись 62-я гвардейская, остатки 303-й и 350-й стрелковых дивизий, 104-я стрелковая бригада удерживала район Лялюки, 253-я бригада — Куличи. 15 марта генерал Рыбалко отдал войскам приказ о выходе из окружения в направлении Малиновки с последующим выходом по восточному берегу реки Северский Донец на рубеж Старый Салтов — Волчанск.

Ночью соединения 3-й танковой армии пошли на прорыв. Отрезанные от основной группировки, остатки 253-й стрелковой бригады, 179-й отдельной танковой бригады и один батальон НКВД пробивались в северо-восточном направлении, и южнее Волчанска 3500 человек вышли к своим. Остальные соединения прорывались на юго-восток. При этом погибли в бою командир 62-й гвардейской стрелковой дивизии генерал-майор Зайцев и командир 17-й бригады войск НКВД полковник Тонкопий.