Общий план контрудара состоял в том, чтобы обороняясь ограниченными силами на ростовском и ворошиловоградском направлениях, нанести два удара по сходящимся направлениям на южном фасе барвенковского плацдарма. Один удар намечался из района Андреевки на Барвенково и второй из района Славянска на Долгенькая с последующим развитием наступления обеих группировок в общем направлении на Изюм. Этими ударами немецкое командование рассчитывало рассечь оборону 9-й армии, окружить и уничтожить части этой армии восточнее Барвенково; в дальнейшем выйти к реке Сев. Донец, форсировать ее на участке Изюм, Петровская и, развивая наступление в общем направлении на Балаклею, соединиться с частями 6-й армии, оборонявшими чугуевский выступ, и завершить окружение всей барвенковской группировки войск Юго-Западного направления.
К перегруппировке своих войск с целью образования ударных группировок на намеченных участках прорыва немецкое командование приступило 13 мая, после окончания железнодорожной перевозки в полосу
17-й армии своих резервов — 20-й пехотной дивизии румын и немецких 384 и 389-й пехотных дивизий. К этому же времени в район Макеевки была переброшена с юга 16-я танковая дивизия. Все соединения противника на этом участке фронта были организационно объединены в два армейских и один танковый корпуса.
3-й танковый корпус — немецкие 1-я горно-стрелковая, 100-я легкопехотная, 60-я моторизованная, 14-я танковая и итальянская боевая группа Барбо (сводная бригада) — развернулся на фронте в 62 км. Главные силы его были сосредоточены на 21-километровом участке Петровка, Андреевка, южнее Громовая Балка. Во втором эшелоне корпуса сосредоточилась 60-я моторизованная дивизия и два полка 20-й пехотной дивизии румын.
44-й армейский корпус в составе 68, 389, 384-й пехотных, 97-й легкопехотной и 16-й танковой дивизий развернулся на фронте в 39 км. Главные силы корпуса (384-я пехотная, 97-я легкопехотная дивизии) заняли исходные позиции для наступления на 11-километровом участке. Во втором эшелоне сосредоточилась 16-я танковая дивизия (около 100 танков).
52-й армейский корпус главными силами (101-я легкопехотная и два полка 257-й пехотной дивизии) занял исходное положение для наступления на 9-километровом участке Соболевка, Маяки. 3-й танковый корпус, 44 и 52-й армейские корпуса составили так называемую «группу Клейста» под командованием командира 1-й танковой армии генерала Клейста. Управление этой группы разместилось в городе Сталино.
Всего на 20-километровом участке Петровка, Голубовка против стыка 341 и 106-й стрелковых дивизий 9-й армии противник сосредоточил в первой линии до пяти пехотных полков и до 50 танков 14-й танковой дивизии. На 21-километровом участке Красноармейск, Маяки, против стыка 335 и 51-й стрелковых дивизий 9-й армии, немцы сосредоточили до двенадцати пехотных полков и около 100 танков 16-й танковой дивизии.
Сосредоточив крупные силы на узких участках фронта, немецкое командование, при сравнительно небольшой общей оперативной плотности своих войск на южном фасе барвенковского плацдарма, сумело создать на участках прорыва значительное превосходство в силах, особенно в танках и артиллерии.
В ночь на 17 мая немецкие войска закончили перегруппировку, заняли исходные позиции и с утра 17 мая перешли в наступление. С 4 часов до 5 часов 30 минут утра продолжалась артиллерийская и авиационная подготовка, после чего пехота и танки противника перешли в атаку, с воздуха их поддерживало около 400 самолетов.
На барвенковском направлении удар противника пришелся по стыку 341 и 106-й стрелковых дивизий, а на направлении Славянок, Долгенькая удар был нанесен на фронте 51 и левого фланга 335-й стрелковых дивизий.
Один из офицеров 357-й пехотной дивизии, действовавшей на правом фланге «группы Клейста», так описывал начало немецкого наступления: