9 марта на усиление 3-й танковой армии прибыли 86-я танковая бригада и 303-я стрелковая дивизия, занявшая оборону в районе Коротич, Березовка, Буды, а также 2-й гвардейский танковый корпус (до 120 танков). Но уже в 4 часа утра 10 марта командир корпуса получил приказ о выходе из состава армии и переброске к северу от Харькова. В состав армии был введен 18-й танковый корпус, имевший всего 6 боеготовых малых танков. В этот же день противник вышел с юга к Богодухову, обошел Харьков с севера и прорвал оборону 6-го гвардейского кавалерийского корпуса в районе Дергачей. После этого вражеские части стали развивать наступление в северном и северо-восточном направлениях, создав угрозу окружения всей группировки советских войск, оборонявшейся в районе Харькова. К исходу дня пехота противника начала отдельными группами просачиваться в город со стороны северных окраин.

11 марта в Харьков прорвались танки противника, а его передовые отряды дошли до центра города и заняли дом Госпрома. Начальник обороны Харькова генерал Козлов, не имея связи с войсками, передал управление гарнизоном командующему 3-й танковой армией, а сам выехал из города в неизвестном направлении. После ожесточенных боев защитники Харькова к исходу дня 12 марта отошли за р. Лопань, оставив северную и северо-восточную части города. В документах штаба 3-й танковой армии отмечалось:

«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 расчета огневых средств на их прикрытие и просто 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 и диктовалось обстановкой».

Противник, наращивая усилия, к исходу дня 14 марта занял Терновую, Лизогубовку, Боровое и Водяное, прервав все пути подвоза. К этому моменту в Харькове продолжали обороняться части 19-й стрелковой дивизии и 17-й бригады войск НКВД при поддержке 179-й отдельной и 86-й танковых бригад. 62-я гвардейская стрелковая дивизия и остатки 303-й и 350-й стрелковых дивизий занимали оборону в районе Жихар, Безлюдовка, 104-я стрелковая бригада удерживала район Лялюки, а 253-я стрелковая бригада – Кулиничи. Утром 15 марта, получив разрешение штаба фронта на оставление Харькова, командующий 3-й танковой армией отдал приказ о прорыве частей в направлении Малиновка, Граково с последующим выходом на восточный берег р. Северский Донец на рубеж Старый Салтов, Волчанск.

Несмотря на то что Харьков был потерян, Ставка ВГК не теряла надежды на разгром харьковской группировки противника. 15 марта представитель Ставки Маршал Советского Союза А.М. Василевский представил И.В. Сталину соответствующий план. Он отмечал, что наступление подвижной группы противника из района Борисовки, стремившейся захватить Белгород и во взаимодействии с ударом частью сил из района Липцев на север окружить советские войска южнее города, остановлено. Направления от Харькова на север по Белгородскому шоссе и северо-восточнее Харькова в обход Белгорода с востока прикрывает 69-я армия, усиленная 2-м гвардейским танковым корпусом (до 120 танков).