Два дня прошли в напряжённых боях с прорвавшимися в тыл южной ударной группировки войсками противника. 22 мая наступила кульминация. Группа «Клейст», продвигавшаяся в северном направлении, перерезала пути сообщения армейской группы генерала Ф.Я.Костенко и 6-й армии. 23 мая она соединилась с 3-й и 23-й танковыми дивизиями Паулюса, наносившими удар в южном направлении с Чугуевского плацдарма. Войска группы генерала Ф.Я.Костенко, 6-й и 57-й армий оказались в окружении.
В этих условиях маршал С.К.Тимошенко объединил окружённые советские войска в группу армий «Юг» под командованием генерал-лейтенанта Ф.Я.Костенко и приказал ей нанести удар в направлении Савинцы, прорвать кольцо окружения и выйти на левый берег Северского Донца. Одновременно с этим левофланговые соединения 38-й армии и сводный танковый корпус во главе с заместителем командующего армией генерал-майором Г.И.Шерстюком должны были наступать навстречу группе Ф.Я.Костенко. Осуществить этот план не удалось, так как противник, упредив советские войска, с утра 24 мая возобновил наступление на широком фронте, стремясь расчленить окружённую группировку. Генерал Ф.Я.Костенко 25 мая решил нанести удар в направлении Чепеля силами трёх стрелковых, двух кавалерийских дивизий, трёх танковых бригад, остатков танковых корпусов и прорваться к главным силам фронта. Осуществлению этого замысла способствовали метеоусловия: моросил дождь, над полями низко плыли облака, и в небе не было ни одного вражеского самолёта52.
Воспользоваться благоприятной возможностью не позволила недисциплинированность войск. Произошло непредвиденное: в район развёртывания ударной группировки, оставив без приказа свои позиции, вышли неуправляемые части 337-й, 47-й и 253-й стрелковых дивизий, которые должны были обеспечивать прорыв. Здесь же оказались части 2-го кавалерийского корпуса, 341-й стрелковой дивизии и тыловые учреждения 57-й армия53. Образовалось беспорядочное скопление большой массы людей, боевой техники, транспорта. На фронте обеспечения ударной группы остались разрозненные подразделения и части нескольких дивизии. Со второй половины дня образовавшееся скопление окружённых войск стало обстреливаться артиллерией противника и подвергаться ударам его авиации. Прорыв не удался.
С большими трудностями был организовал новый удар, и в 22 — 23 часа 25 мая окружённые соединения возобновили наступление. Атаки велись в плотных боевых порядках. Так, основные силы 57-й армии были построены в некое подобие каре по фронту 200 м и в глубину 1000 м из различных машин, размещённых в 8 рядов. Впереди и на флангах шли машины с автоматчиками. Внутри каре находился командующий армией со штабом. Прорвав в таком построении внутренний фронт окружения, колонна в 2 часа 26 мая остановилась перед балкой Копани, а затем стала обходить её с запада. Легковые автомобили, однако, легко преодолели балку и в темноте оторвались от войск, На рассвете стало ясно, что общего управления армией нет. По инициативе отдельных командиров были созданы отряды для выхода из окружения54. Наспех сформированные группы не смогли осуществить прорыв из-за сильного противодействия противника. Такая же картина наблюдалась и в других соединениях группы «Юг».
В сложной обстановке генерал Ф.Я.Костенко и его штаб делали почти невозможное, чтобы наладить управление и организовать новое наступление. Но при почти полной дезорганизации связи добиться этого было очень трудно. Неустойчивой была связь окружённых войск и со штабом Юго-Западного фронта. Это не позволило организовать взаимодействие главных сил с группой «Юг»55.
Наступление возобновилось в 20 часов 30 минут 26 мая. Развернулись ожесточённые бои с превосходящими силами противника. Далеко не всем удалось пробиться. Немцы мощными ударами авиации рассеяли прорывавшиеся войска.
Выход из окружения осуществлялся небольшими группами и отрядами. Исключение составила 266-я стрелковая дивизия. Её части, проявив высокую организованность, вместе с присоединившимися к ним подразделениями других соединений к утру 28 мая прорвались в район Волковенково, а затем ударом в направлении на Чепель пробились в расположение советских войск. Из окружения вышло около 7 тыс. человек. Всего же по данным на 1 июня I942 г. из Барвенковского выступа вырвалось 21 910 человек с 6 танками, 4 орудиями, 16 миномётами, 20 пулемётами и 1939 лошадьми56.
Оставшиеся в кольце советские воины продолжали сражаться до 30 мая. Многие из них в последующем переправились на левый берег Северского Донца.
Одновременно с ликвидацией Барвенковского плацдарма, немецкое командование усилило удары по северной группировке Юго-Западного фронта и окончательно остановило их наступление.
Так завершился оборонительный этап боевых действий под Харьковом. Страшную картину уничтожения увидели иностранные корреспонденты через 36 часов после окончания боев в Барвенковском выступе: «У реки Берека и на далеко протянувшихся холмах восточнее реки вместе с тысячами убитых лежала техника... Каждый отрезок реки, каждая воронка, каждая яма были до краев наполнены грузовиками и обозными повозками, танками, мёртвыми людьми и лошадьми. Насколько хватало глаз, в степи была видна та же картина: орудия, танки, грузовики, повозки, лежащие в мёртвой неподвижности, в которой их остановил ураган. Тысячи измождённых худых лошадей тихо бродили по долинам и бесконечным колхозным полям»57. В Барвенковском выступе осталось более 207 тыс. человек, 1 298 орудий, 2 997 миномётов, 1294 автомашины и трактора58. В «котле» погибли генералы Ф.Я.Костенко, Д.М.Городнянский, К.П.Подлас, А.Ф.Анисов, Л.В.Бобкин, бригадные комиссары А.И.Власов, А.И.Попенко, многие командиры соединений и частей.
Одной из важнейших причин катастрофы явилась внезапность наступления противника. В боевом донесении штаба Южного фронта от 16 мая, т.е. за день до наступления, о противнике было сказано лишь то, что он «активности не проявлял, ограничиваясь ведением редкого артиллерийского огня»59. Внезапность удара противника была усугублена потерей управления войсками со стороны командующего и штаба 9-й армии. Созданная на южном фасе барвенковского выступа оборона не обеспечивала необходимой устойчивости. Оперативное построение и боевые порядки большинства соединений были одноэшелонным. Оборонительная полоса представляла собой систему опорных пунктов и узлов сопротивления, что не отвечало требованиям того времени. Минные поля и другие заграждения по существу отсутствовали. Основу противотанковой обороны хотя и составляли противотанковые опорные пункты, однако артиллерии в них было явно недостаточно. Средние плотности противотанковой артиллерии были менее 3 орудий на 1 км фронта.
Одной из существенных причин слабости обороны являлось проведение в полосе 9-й армии в период с 7 по 15 мая частной наступательной операции с целью овладения сильно укреплённым узлом сопротивления противника в районе Маяки. Для проведения этой операции были привлечены крупные силы, в том числе почти все резервы 9-й армия и 5-й кавалерийский корпус — резерв Южного фронта60. Операция оказалось безуспешной. Резервы понесли большие потери и не успели к началу наступления противника перегруппироваться в предназначенные им районы и подготовить оборону.
Неудачные действия советских войск в окружении объясняются существенными промахами командующих и штабов в организации управления соединениями, отсутствием эффективной помощи окружённым войскам со стороны главных сил Юго-Западного направления, а также безраздельным господством в воздухе авиации врага.
Боевые действия в районе Харькова за 18 дней завершились полным поражением советских войск. Войска Юго-Западного фронта, 9-я и 57-я армии Южного фронта лишились важного в оперативном отношении Барвенковского плацдарма. Их потери за 18 дней составили 277190 человек,в т.ч. 170958 — безвозвратные (22,3%),106232 — санитарные, 46314 — ранеными,13556 — убитыми и 207047 — пропавшими без вести61.
Кроме того было потеряно: 143226 винтовок, 9053 автомата,3659 пулемётов62. Вышли из строя и были захвачены противником 1100 танков63, 1646 орудия и 3278 миномётов64. Войска Юго-Западного направления потеряли 57626 лошадей65. Вражеские войска, достигнув цели операции «Фридерикус-I» и, отбросив на исходные позиции соединения северной ударной группировки Юго-Западного фронта, заняли выгодное положение для развёртывания нового наступления.
Кроме недостатков, обусловивших неудачи советских войск в наступлении и обороне, были и общие причины провала Харьковской операции. Главная заключалась в том, что Юго-Западному направлению уделялось неоправданно меньше внимания, чем московскому. Поэтому для проведения Харьковской операции было выделено недостаточно сил и средств. Отрицательно сказалось на ходе и исходе наступления то, что советскому командованию не удалось достичь внезапности удара. Существенной причиной поражения советских войск на харьковском направления явилось то, что в критический момент наступления, когда для достижения перелома в боевых действиях требовалась помощь со стороны соседних фронтов, такая помощь оказана не была. Войска Юго-Западного фронта дрались, по существу, в изоляции. Это позволяло вражескому командованию осуществлять широкий манёвр авиацией, перебрасывать в район Харькова силы с пассивных участков. Поражение войск Юго-Западного направления было обусловлено недостаточной выучкой войск и штабов, их слабой сколоченностью. Многие командиры соединений и частей, а также некоторые командующие армиями и штабы всех степеней не обладали ещё необходимым боевым опытом, который позволял бы им правильно и быстро оценивать складывающуюся обстановку и адекватно реагировать на неё.
Опыт Харьковской операции показал, что очаговая неглубокая оборона не способна отразить массированные удары танковых группировок противника. На повестку дня встал вопрос создания глубоко эшелонированной обороны с высокими плотностями, прежде всего, средств борьбы с танками врага. Опыт этой операции ещё раз продемонстрировал, что успех боевых действий не мыслим без твёрдого и непрерывного управления войсками в течение всей операции, а также без чёткого согласования усилий всех сил и средств накануне и в ходе операции.