И снова оборона 1-й танковой армии устояла, несмотря на то что огонь артиллерии и минометов русских достиг невиданной доселе мощи, и немецкие войска понесли настолько тяжелые потери, что армия была вынуждена ввести в бой резервы уже после первых 48 часов боев. 6-й армии повезло меньше. Вместо того чтобы следовать обычной советской практике сосредоточения на переднем крае перед наступлением свежих дивизий, командующий Южным фронтом генерал-полковник Ф.И. Толбухин за счет резервов предельно уплотнил уже находившиеся там соединения. Соответственно, офицеры немецкой разведки, которые дожидались того, что считали явным признаком грядущей опасности, были введены в заблуждение кажущимся отсутствием изменений в составе 2-й гвардейской и 5-й ударных армий. Перед началом наступления 18 августа артиллерия предельно сконцентрировала огонь на узком участке наступления. До конца дня первый эшелон 5-й ударной армии вклинился в немецкую оборону на 5 км на фронте шириной 2,5 км. Затем ночью при свете полной луны советские войска расширили участок прорыва за немецким передним краем на север и на юг.
Командующий 6-й армией генерал К. Холлидт принял решение не пытаться блокировать прорыв противника, а вместо этого попробовать закрыть брешь в линии фронта. Это было смелое решение, и в прошлом подобные действия давали хорошие результаты при относительно небольших усилиях. Однако в сложившихся обстоятельствах подобный маневр принимал характер ставки «все или ничего» в карточной игре.
Армия имела в резерве совсем незначительные силы пехоты и ни одного танка. 20 августа немцы стали атаковать с обеих флангов на участке разрыва фронта. Контрнаступление началось явно успешно, и к полуночи две группировки, наступавшие навстречу, почти соединились. Но той же ночью командование советского 4-го механизированного корпуса поняло, что происходит. На следующее утро корпус, развернувшись на 180 градусов, атаковал немецкие позиции с запада. Превосходство русских было слишком явным. К исходу дня в линии фронта немцев вновь образовался разрыв шириной до 8 км.
К 20 августа Э. Манштейн получил из группы армий «А» 13-ю танковую дивизию. Но когда она прибыла на участок 6-й армии, оказалось, что она состоит всего из одного полка и трех рот. К тому же советский военный шпионаж был настолько эффективен, что русские узнали о прибытии дивизии почти одновременно с командованием 6-й армии. 23 августа дивизия нанесла удар с северного фаса разрыва фронта, который к тому времени был расширен до 10 км. Для нее закрыть брешь означало совершить чудо. 13-й танковой дивизии удалось успешно преодолеть 5 км, прежде чем она была остановлена двумя механизированными корпусами русских. В это время войска Ф.И. Толбухина, который действовал очень осторожно, не забывая об угрозе флангам, прорвали немецкую оборону на такую глубину, что у 6-й армии уже просто не было средств, чтобы попытаться восстановить положение.
23 августа на участке 1-й танковой армии также создалось угрожающее положение. Согласно донесению ее командования, боевой состав корпуса, оборонявшегося южнее Изюма, сократился до 5800 человек, что было явно недостаточно для создания сплошной линии обороны. Все, что был способен предпринять Э. Манштейн, было заявление о том, что битва приближается к своей кульминации, и победа в ней достанется тому, кто сможет «выстоять на мгновенье дольше, чем его противник».
25 августа офицеры оперативных отделов 1-й танковой армии и 6-й армии прибыли в штаб группы армий с предложением об отступлении. Там их ознакомили с заявлением Э. Манштейна о том, что, если группа армий не получит в качестве усиления пять свежих дивизий, в том числе как минимум две танковые, вопрос об отступлении и, как следствие, эвакуации Донецкого бассейна неизбежен. Э. Манштейн не верил, что Гитлер согласится с такой оценкой, но тем не менее фюрер разрешил командующим армиями начать подготовку к отходу на рубеж, проходивший по реке Кальмиус, восточнее Сталино.
Спустя два дня, находясь в ставке фюрера в Виннице, фельдмаршал снова повторил эту мысль, но на этот раз он просил уже не пять, а двенадцать дивизий. Гитлер обещал передать в его распоряжение «все дивизии, которые можно будет перебросить из групп армий «Север» и «Центр». Однако вскоре оттуда поступил доклад о том, что группы армий не в состоянии передать Э. Манштейну ни одной дивизии.