直扑波波夫集群的后方，此时的波波夫集群只剩下25-40辆完好坦克，油料早已耗尽，面对德军的突袭，根本无法组织有效的抵抗。苏军坦克兵们试图用坦克炮进行射击，但缺乏油料的坦克无法机动，很快就被德军坦克逐个摧毁。集群指挥官波波夫多次请求后撤，却收到了朱可夫“继续进攻”的严令，无奈之下，他只能组织步兵进行徒劳的抵抗，士兵们在开阔的平原上被德军装甲部队肆意碾压，伤亡惨重。
2月22日，德军南北两翼的装甲集群推进顺利，距离完成合围仅剩一步之遥。此时，苏军第25坦克军已经推进到扎波罗热东北面10-12公里处，成为深入德军腹地最远的部队，但他们的退路已经被德军切断，陷入了孤立无援的境地。朱可夫终于意识到情况危急，下令沃罗涅日方面军向南发起进攻，试图解救被围的西南方面军。但此时的沃罗涅日方面军也已是强弩之末，能投入使用的坦克仅有39辆，推进不久就因油料耗尽而停滞，被德军大日耳曼师趁机击退。
2月23日，德军第48装甲军与党卫装甲军在苏军后方会师，完成了对哈尔科夫周边50个苏军师的合围。25万苏军被围困在一个东西长80公里、南北宽50公里的狭小区域内，成为了德军的瓮中之鳖。曼施坦因下令收紧包围圈，德军的火炮阵地在包围圈外围展开，密集的炮火如同雨点般落在苏军阵地，将积雪融化，泥浆与鲜血混合在一起，形成一片泥泞的沼泽。
“突围！向东北方向突围！”被围苏军发起了绝望的冲击。成千上万的苏军士兵跳出战壕，向着德军的包围圈发起冲锋，他们穿着单薄的冬装，有的甚至没有鞋子，在泥泞中艰难跋涉。德军的MG-42机枪、迫击炮和坦克炮组成了密集的火力网，每一次扫射都能倒下一片苏军士兵。一名苏军连长挥舞着红旗，高喊着口号带头冲锋，被子弹击中胸膛，红旗从手中滑落，插进泥泞的土地里，很快就被鲜血染红。
坦克之间的对决更是惨烈无比。苏军的T-34坦克试图冲击德军的包围圈，却遭到虎式坦克的迎头痛击。一辆T-34坦克冒着炮火冲向德军阵地，连续摧毁两辆德军四号坦克，但很快就被虎式坦克的88毫米炮击中炮塔，炮塔被掀飞数米高，里面的乘员无一生还。德军的强击火炮也在近距离支援步兵作战，它们利用地形隐蔽自己，突然开火，摧毁了大量苏军的反坦克炮和碉堡。
哈尔科夫城内的巷战同样惊心动魄。德军在收复哈尔科夫的过程中，与留守的苏军展开了逐街逐屋的争夺。每一条街道、每一座
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