К началу наступления советское командование сосредоточило довольно сильную танковую группировку, в составе которой было три танковых корпуса (21, 22 и 23-й) и девять отдельных танковых бригад (5, 6, 7, 10, 37, 38, 42, 87 и 90-я), в которых насчитывалось 925 танков (из них 358 – Т-34). Отдельные танковые бригады были включены в ударные группировки и использовались для непосредственной поддержки пехоты стрелковых дивизий первого эшелона. 22-й танковый корпус был придан 38-й армии. Командующий армией решил использовать корпус децентрализованно, придав его бригады стрелковым дивизиям.
21-й и 23-й танковые корпуса составляли подвижную группу Юго-Западного фронта. Её планировалось ввести в прорыв в полосе наступления 6-й армии с задачей развить удар в общем направлении на Люботин и во взаимодействии с соединениями 3-го кавалерийского корпуса завершить окружение харьковской группировки противника. 21-й танковый корпус генерала Г. И. Кузьмина должен был развивать наступление в направлении на Змиев и на пятый-шестой день операции овладеть районом Люботина. К этому же времени 23-й танковый корпус генерала Е. Г. Пушкина должен был выйти в район Валков.
Все танковые части и соединения, привлекавшиеся к операции, имели довольно пёстрый состав, что хорошо видно на примере 22-го танкового корпуса. На вооружении его бригад состояли танки шести типов. При этом две бригады танков Т-34 вообще не имели, а самыми распространёнными машинами были английские «Матильды» и «Валентайны».
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.
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.