Соединениям Воронежского фронта, которые прошли 100—120 километров, удалось создать опасность окружения немецких войск в Харькове. 11 февраля станцию Лозовая освободила 1 гв. армия. 4 гв. танковый корпус, поддержавший 12 февраля наступательные действия 40 армии, смог осуществить удачный маневр по охвату Харькова с северо-запада. Аналогичная ситуация складывалась на южном направлении, где медленно наступал 6 кавалерийский корпус. Возникла необходимость в использовании резервов.

Командование Воронежского фронта понуждало свои армии к быстрым действиям, чтобы враг не успел подготовить оборонительные рубежи, продолжить разграбление и разрушение Харькова. Командующий фронтом в приказе 69 армии отмечал: «Войска вверенной Вам армии в течение целых суток бездействовали перед арьергардом противника в 10—12 км от Харькова. Такое поведение преступно, так как оно приводит к срыву выполнения боевой задачи, позволяет противнику безнаказанно отводить главные силы»25. Невзирая на нарастающее противодействие противника, 14 февраля город попал в полукольцо. Советские дивизии приступили к его штурму: 69 армия атаковала с северо-востока, 40 армия надвигалась с севера и запада. 3 танковая армия прорывалась с юго-восточного направления. 6 армия Юго-Западного фронта, продолжая наступление, вышла к железной дороге Харьков-Лозовая.

15 февраля во время ожесточенных боев в предместьях Харькова немецкое командование дополнительно задействовало танковую дивизию СС «Мертвая голова», чтобы усилить свою оборону. Для организованного отступления немецко-фашистских войск из Харькова сохранялся только узкий коридор к югу от города. Поэтому командующий немецкого танкового корпуса принял решение отступить вопреки требованиям Гитлера и генерала Ланца. Командование вермахта приказало прекратить отход. Однако соединения корпуса, оставляя военную технику, продолжили отступление из Харькова, производя минирование путей отхода. В этот день 340 стрелковая дивизия 40 армии прорвалась в западный район Харькова. 62 гв. дивизия 3 танковой армии вела бои в юго-западном районе города. Ожесточенные боевые столкновения с гитлеровцами советских войск, активно поддерживаемых местными жителями, продолжались в ночное время. К середине дня 16 февраля отдельные немецкие части, оставшиеся в городе, прекратили сопротивление. Так завершилось освобождение Харькова от захватчиков.

Стремительно наступающие 6 и 1 гв. армии к 19 февраля смогли продвинуться на 140—180 километров, а также достичь подступов к Краснограду, Запорожью и Днепропетровску. В то же время соединения подвижной группы фронта не смогли осуществить прорыв на юг.

Появились возможности для продолжения наступательной операции советских армий. Командование Воронежского фронта, наметив наступление к Днепру, сформулировало новые цели войскам: 60 армии поставило задачу наступления к Рыльску, 38 армии освободить Сумы, 40 армии наступать к Ахтырке, 69 общевойсковой и 3 танковой армиям – освобождение Полтавы26.

Планы Ставки ВГК и Воронежского фронта были не вполне реалистичными. Воронежский фронт понес значительные потери: 56500 человек за январь 1943 г27. В феврале в дивизиях находилось по 3500—4000 человек28. Войска были измотаны после длительных ожесточенных боев, отставали тыловые службы. Не хватало топлива и боеприпасов. Поддержка с воздуха действий обоих фронтов оказалась ограничена в следствии разрушений аэродромной сети. Истребители, которые поднимались в воздух с отдаленных аэродромов, не всегда обеспечивали прикрытие сухопутных войск. Однако Ставка и командование фронта решили продолжать наступательные операции.