Надежду на успех операции пока давали только действия 6–й и 57–й армий. За первые четыре дня операции соединения двух армий прорвали фронт противника на участке от Балаклеи до Славянска шириной 75 км и продвинулись на направлениях своих главных ударов в глубину до 25 км. Создались благоприятные условия для ввода в прорыв в полосе 57–й армии подвижной группы Южного фронта, состоящей из 1–го и 5–го кавалерийских корпусов. Оба корпуса должны были наступать на юг и юго-восток, перерезая коммуникации донбасской группировки противника. 5–й кавалерийский корпус генерал-майора А.А. Гречко (34, 60 и 79–я кавалерийские дивизии и 132–я танковая бригада) к исходу 21 января сосредоточился в районе Дмитриевки, Базалеевки, Бражовки, имея задачу с утра 22 января войти в прорыв в общем направлении на Малую Камышеваху, Барвенково, а овладев ими, наступать на юг в глубокий тыл противника, противостоящего 37–й и 12–й армиям. Перед вводом корпуса в прорыв маршал С.К. Тимошенко приказал командующему Южным фронтом передать в подчинение А.А. Гречко 351–ю стрелковую дивизию полковника Н.У. Гурского и 130–ю танковую бригаду полковника Е.Г. Пушкина. Второе подвижное соединение фронта, 1–й кавалерийский корпус генерал-майора Ф.А. Пархоменко (35, 36, 68–я кавалерийские дивизии и 15–я танковая бригада), должно было с переходом войск 57–й армии через Северский Донец и выходом на фронт Долгенькая, Краснополье–2 (на шоссе Славянск — Изюм) прорываться в общем направлении на Долгенькую, Васильевку и далее на юго-восток. С утра 21 января корпус начал выдвижение и к исходу дня достиг района Долгенькой. К утру 22 января он был готов к выполнению поставленной перед ним задачи.
Днем 22 января 6–я и 57–я армии, наступавшие до этого по параллельным маршрутам, начали расходиться. 57–я армия начала разворачиваться на юго-восток, постепенно переходя железную дорогу Лозовая — Барвенково — Славянск. Большая часть армии оказалась западнее Барвенкова. 341–я стрелковая дивизия и 6–я танковая бригада, преследуя части отходящей 298–й пехотной дивизии, вели бои в 20 км северо-западнее Барвенкова. 351–я стрелковая дивизия обошла Барвенково с севера и перерезала железную дорогу Лозовая — Барвенково западнее последнего. 23 января соединения 57–й армии окончательно развернулись на юго-запад и совместно с 5–м кавалерийским корпусом завязали бои за Барвенково и вокруг него. В бой был введен резерв командующего армией — 349–я стрелковая дивизия. К вечеру 23 января совместными усилиями 351–я стрелковой дивизии, 130–й танковой бригады и 5–го кавалерийского корпуса Барвенково было освобождено. Создавались благоприятные условия для обхода группировки противника у Славянска с запада. За сам город Славянск фронтом на юг вела безуспешные бои 335–я стрелковая дивизия. Направленная ей на помощь 12–я танковая бригада (ранее действовавшая совместно с 255–й дивизией) осталась без горючего и простаивала в его ожидании. В течение 25–27 января соединения 57–й армии вышли на подступы к Лозовой и продвинулись на 25–30 км западнее и юго-западнее Барвенкова. 5–й кавалерийский корпус продвинулся на 30 км на юг от Барвенкова.
На правом фланге наступления операция перешла в фазу борьбы за удерживаемый немцами «шверпункт» в районе Балаклеи. За этот узел коммуникаций вела бои 6–я армия А.М. Городнянского. На город были нацелены 253–я и 337–я стрелковые дивизии, 7–я и 13–я танковые бригады. На Балаклею также наступала часть сил 411–й стрелковой дивизии. На запад наступали только 393–я и 270–я стрелковые дивизии, которые вскоре перерезали железную дорогу Харьков — Лозовая. 23 января в прорыв был введен 6–й кавалерийский корпус. Однако, достигнув деревни Алексеевка на р. Орель к югу от Харькова, корпус бездействовал там в течение четырех дней, что стало предметом разбирательства со стороны командования фронта. Командир корпуса А.Ф. Бычковский был снят с должности, и его место занял К.С. Москаленко.
Утром 25 января 270–я стрелковая дивизия, только что освободившая населенный пункт Краснопавловка, получила задачу на овладение г. Лозовая. Поворот 57–й армии на юго-запад вынуждал 6–ю армию расширять фронт наступления, в полосу которого попал крупный узел железных дорог — Лозовая. 270–я стрелковая дивизия овладела Лозовой к 27 января. Тем временем передовые отряды 411–й и 393–й стрелковых дивизий вышли на рубеж р. Орель. Поскольку значительная часть сил 6–й армии втянулась в позиционные бои под Балаклеей, продвижение на запад на этом рубеже остановилось.