8 февраля войска 60-й армии освободили Курск. На следующий день соединения 40-й армии заняли Белгород, а 69-й армии – Волчанск. В связи с успешным продвижением фланговых группировок Воронежского фронта над харьковской группировкой противника нависла угроза окружения. В ночь на 10 февраля она оставила рубеж у Северского Донца и начала отходить к Харькову. Используя выгодную обстановку, 3-я танковая армия освободила Печенеги, Чугуев и развивала успех на Харьков. Однако с ходу овладеть городом не удалось, так как на внешнем оборонительном обводе, в районе Рогани (20 км юго-западнее Харькова), противник оказал упорное сопротивление. Гитлер требовал от группы Ланца «во что бы то ни стало удержать Харьков, потеря которого могла отразиться на престиже Германии, как своего рода новый Сталинград». Не ограничившись этим, он 13 февраля издал еще один строгий приказ, в котором приказывал «при всех обстоятельствах удерживать Харьков», что, несомненно, означало и оборону в условиях окружения.

Только к исходу 14 февраля части 3-й танковой армии сумели выйти к внутреннему оборонительному обводу Харькова. К этому времени к северо-восточной окраине города подошли соединения 69-й армии.

В полосе наступления 40-й армии противник оказывал слабое сопротивление. С севера к Харькову продвигалась танковая группа (116-я танковая бригада, 59, 60 и 61-й отдельные танковые полки) полковника В.Г. Романова. Одновременно в наступление перешел 5-й гвардейский танковый корпус (20 танков), который прибыл из района Касторное. 13 февраля они освободили Дергачи и Ольшаны, охватив Харьков с северо-запада. Используя успех танковых соединений, стрелковые дивизии 40-й армии подошли к северной и северо-западной окраинам Харькова.

Утром 15 февраля войска 40, 69 и 3-й танковой армий начали штурм Харькова. Город удерживал 2-й танковый корпус СС, имевший 200 танков. На всем фронте завязались ожесточенные бои. Преодолевая яростное сопротивление противника, соединения 3-й танковой и 69-й армий прорвали внутренний обвод и проникли в город, а 5-й гвардейский танковый корпус совместно с 340-й стрелковой дивизией ворвался на его западную окраину. Видя бесперспективность сопротивления и опасаясь окружения, 2-й танковый корпус СС начал отходить в юго-западном направлении. К 12 часам 16 февраля Харьков был полностью очищен от врага.

После освобождения Харькова 3-я танковая и 69-я армии получили задачу наступать на Полтаву, а остальные силы фронта – на запад. К этому времени 3-я танковая армия насчитывала 49 663 человека, 110 танков, 1044 минометов различных калибров, 318 орудий и 189 противотанковых пушек. Войска были сильно переутомлены беспрерывными боями и понесли большие потери: 11,5 тыс. человек убитыми, ранеными, контуженными и пропавшими без вести, 66 орудий, 40 противотанковых пушек и 45 танков. В этой связи генерал Рыбалко докладывал Военному совету Воронежского фронта: «Войска требуют хотя бы суточного, трехсуточного отдыха и приведения себя в порядок, приема пополнения. За эти дни части понесли очень большие потери в людском составе и матчасти, особенно большие потери в командном составе». Ответ командующего фронтом от 19 февраля гласил: «До выхода за р. Коломак на рубеже Константиновка, Артемовка предоставлять войскам дневку не разрешаю. Голиков». В новой шифровке от того же числа подчеркивалось:

«До Киева осталось около 400 км, до разлива рек, приведения в труднопроходимое состояние дорог осталось 25 суток. Крепко учтите это и обеспечьте всеми мерами такие темпы продвижения, чтобы р. Днепр до распутицы была, безусловно, за нами. На основе Ваших расчетов предъявите требования войскам. Используйте гидрометеоотделение Вашего штаба и постоянно держите в курсе метеообстановки войска».

Войска 3-й танковой армии, преодолевая сопротивление арьергардов противника, медленно продвигались на запад, производя в то же время перегруппировку для планировавшегося наступления на Полтаву.