Наступление войск ударных группировок Юго-Западного фронта началось утром 12 мая после часовой артиллерийской и авиационной подготовки. Стрелковые дивизии северной ударной группировки при поддержке танковых бригад за три дня упорных боёв продвинулись в районе Волчанска на 10– 25 км. Однако результаты первых дней не были своевременно использованы. Силы наступающих частей 21, 28 и 38-й армий истощились, резервов для развития удара не оказалось, и поэтому темп их продвижения резко снизился. Более того, противник, подтянув резервы – 3-ю и 23-ю танковые и 71-ю пехотную дивизии, сумел остановить продвижение наших войск южнее Волчанска и 13 мая нанёс контрудар во фланг наступавшим войскам 38-й армии. В течение этого дня все бригады 22-го танкового корпуса вступили в бой с немецкой группировкой, насчитывавшей более 130 танков. В результате 13-я танковая и 133-я бригады потеряли все свои танки, подбив при этом, по докладам командиров, около 65 вражеских боевых машин. 36-я танковая бригада, потеряв 37 танков и подбив при этом 40 танков противника (!), отошла к населённому пункту Непокрытая. В итоге этих боёв вплоть до 17 мая танковые части активныхбоевых действий не вели. А занимались восстановлением материальной части.
Башенный люк больших размеров нельзя отнести к конструкторской удаче, однако его крышка служила хорошей защитой для танкистов, когда они вели наблюдение за полем боя, высунувшись из люка. Калининский фронт, 3-я гвардейская танковая бригада, весна 1942 года
Войска южной ударной группировки, перешедшие в наступление с Барвенковского выступа, к исходу первого дня прорвали главную полосу обороны противника и продвинулись на 12– 15 км. В последующие два дня фронт прорыва был расширен до 55 км, а глубина прорыва достигала 25– 50 км. Сопротивление вражеских войск начало заметно ослабевать. Создались благоприятные условия для ввода в прорыв подвижной группы. Стремительный и мощный удар двух танковых корпусов, имевших в своём составе около 300 танков, мог оказаться весьма эффективным. Однако этого сделано не было.
Танк Т-34 84-й танковой бригады выдвигается к месту боевых действий, Юго-Западный фронт, май 1942 года
Командование 6-й армии, ожидая более выгодной обстановки, решило ввести подвижные войска в прорыв с выходом стрелковых дивизий на рубеж реки Берестовая, до которой ещё оставалось пройти с боем 15 км. 15 и 16 мая танковые корпуса в ночных условиях выдвигались к указанному рубежу. Утром 17 мая, на шестой день операции, после захвата плацдарма на Берестовой, обогнали боевые порядки пехоты и приступили к выполнению задач. Но благоприятный момент был упущен. Отказ от использования подвижных войск 14-15 мая для наращивания удара стрелковых соединений отрицательно повлиял на развитие операции. Противник успел за это время подтянуть резервы и организовать оборону на тыловых рубежах. Преодолевая всё возрастающее сопротивление врага, танковые корпуса 18 мая достигли железной дороги Харьков – Красноград. Но к этому времени тяжёлая обстановка сложилась на южном фасе Барвенковского выступа. 17 мая сильная группировка противника, неожиданно перейдя в наступление, прорвала оборону 9-й армии Южного фронта и, развивая удар на север и северо-восток, вышла на коммуникации наших войск, находившихся на Барвенковском выступе, отрезав их от переправ через реку Северский Донец. Несмотря на это, войска Юго-Западного фронта ещё два дня тщетно пытались пробиться к Харькову. Только 19 мая они перешли к обороне, но было уже поздно. 20 мая немцы, воспользовавшись тем, что северная советская группировка истощила свои силы и прекратила активные действия, перебросили с этого участка фронта на северный фас Барвенковского выступа 3-ю и 23-ю танковые дивизии, которые, прорвав оборону советских войск, к вечеру 20 мая вышли в район Петровской и Красного Лимана, а к концу дня 22 мая завершили окружение советских войск на Барвенковском выступе.
С 23 мая в штабе Юго-Западного фронта стали разрабатывать планы спасения окружённой группировки. Для этой цели, например, в составе Южного фронта был создан сводный танковый корпус. Первоначально в его состав вошли 3-я (8 KB, 9 Т-34 и 9 Т-60) и 15-я (20 Т-34 и 9 Т-60) танковая бригады. Полноценного штаба у корпуса не было, для управления войсками использовались остатки штаба 121-й танковой бригады. Впрочем, в таком составе корпус просуществовал недолго. К 25 мая 3-ю танковую бригаду из него изъяли, включив вместо неё 64-ю (22 «Матильды», 1 «Валентайн» и 21 Т-60) и 114-ю (4 МЗс и 21 Т-60) танковые бригады и 92-й (8 Т-34 и 12 Т-60) отдельный танковый батальон. В таком составе корпус 25 мая перешёл в наступление. Противник встретил атаку танков сильным артиллерийским огнём и беспрерывными ударами с воздуха. К вечеру 25 мая танковые бригады с боем заняли Чепель. В течение этого дня танковые бригады уничтожили 19 немецких танков, 8 противотанковых пушек и до двух рот пехоты. Собственные потери корпуса составили 29 танков, из них – 5 Т-34 15-й танковой бригады. На следующий день наступление возобновилось, но уже безуспешно. За этот день, уничтожив четыре вражеских танка и два орудия, корпус потерял 14 боевых машин, из них 10 Т-34. Но усилия сводного корпуса не пропали даром.