沃罗涅日方面军主力第40、第69集团军和第3坦克集团军，在哈尔科夫方向的作战行动也很顺利。它们粉碎德军在奥斯科尔河地区的抵抗后，向哈尔科夫迅猛推进，但越接近城市，遭到的抵抗越激烈，德军将新锐预备队投入了交战。1943年2月9日，苏军第40集团军主力解放了别尔哥罗德。10日，第40集团军所属各兵团已进抵广阔的战役地区，前出到距哈尔科夫城北55公里处。这对沃罗涅日方面军左翼部队行动非常有利。为免遭包围，德军哈尔科夫地域的部队开始从北顿涅茨河一线撤至哈尔科夫。2月15日，苏军从3个方向同时向哈尔科夫城突击，激烈巷战持续1个昼夜。苏军于16日中午肃清哈尔科夫的德军，收复哈尔科夫。