Трудности предстоявшего наступления советских войск осложнялись целым рядом обстоятельств. Прежде всего, перед фронтом находились реки Дон и Северский Донец, которые надо было форсировать по льду под сильным, артиллерийским, минометным огнем и ударами вражеской авиации. Толщина льда (25–30 см) допускала переправу лишь пехоты и легких грузов. Кроме того, на западном берегу Дона и Северского Донца противник основательно укрепился, и, чтобы выбить его оттуда, требовались большие усилия. В то же время советские войска за два с лишним месяца непрерывных наступательных боев в нелегких условиях зимы устали, пройдя с боями сотни километров. Не стоит забывать и о том, что в ходе длительного наступления сильно растянулись армейские и войсковые тылы. Базы снабжения находились на значительном удалении от войск.
Февральское наступление войск Юго-Западного фронта
Советским командованием основная роль в наступательной Донбасской операции отводилась Юго-Западному фронту (командующий генерал армии Н. Ф. Ватутин, член военного совета генерал-лейтенант А. С. Желтов, начальник штаба генерал-лейтенант С. П. Иванов). К началу операции в состав фронта входили 6-я, 1-я гвардейская, 3-я гвардейская, 5-я танковая, 17-я воздушная армии и подвижная группа фронта (четыре танковых корпуса, две отдельные танковые бригады и три стрелковые дивизии) — всего 29 стрелковых дивизий, две стрелковые, одна лыжно-стрелковая и три танковые бригады, девять танковых, механизированный и кавалерийский корпуса и один танковый полк. При этом стрелковые дивизии были укомплектованы личным составом всего на 60–70 % (в каждой насчитывалось от 5500 до 7 тыс. человек). В ходе январского наступления войска фронта к концу января смогли выйти на рубеж Покровское — Лисичанск и далее по Северскому Донцу. Таким образом, они нависали с севера над донбасской группировкой немцев и создавали угрозу глубокого охвата ее левого фланга.
Исходя из общего замысла операции, командующий фронтом решил главный удар нанести на правом крыле соединениями 6-й, 1-й гвардейской армий и фронтовой подвижной группой из района Старобельска в общем направлении на Мариуполь, в тыл группе армий «Дон» с целью отрезать ей пути отхода на запад. Войска левого крыла фронта — 3-я гвардейская и 5-я танковая армии — должны были наступать на ворошиловградском направлении. Исходя из этого плана, все силы фронта были развернуты в один оперативный эшелон, а в резерве командующего находились 1-й гвардейский и 25-й танковые корпуса.
Перед войсками Юго-Западного фронта оборонялись соединения 1-й танковой армии и оперативной группы «Холлидт» — всего до четырнадцати дивизий, в том числе семь танковых.
Бои за Донбасс начались 29 января наступлением 6-й армии под командованием генерал-лейтенанта Ф. М. Харитонова. В полосе шириной 60 км были брошены четыре дивизии и одна стрелковая бригада, усиленная танковой бригадой, танковым полком и тремя артиллерийскими полками. Ей была поставлена задача сломить сопротивление противника, таким образом обеспечив ввод в бой танковых частей фронтовой подвижной группы, и стремительно наступать на запад.
Этот удар рассматривался как вспомогательный, так как главный удар армия должна была наносить на своем правом фланге на участке шириной 20 км в районе Покровского в общем направлении на Балаклею. Через неделю наступления по плану она должна была, продвинувшись на 110 км, выйти на рубеж Моспаново (50 км юго-восточнее Харькова) — Балаклея — Петровское (30 км южнее Балаклеи). Ей противостояли части немецких 320-й пехотной, 27-й танковой, 298-й пехотной дивизий, а также 193-й и 393-й штурмовые батальоны. После неудачных попыток остановить советские войска противник, ведя сдерживающие арьергардные бои, начал отходить на запад.
Правее 6-й армии наступала 3-я танковая армия Воронежского фронта, которая наносила удар в общем направлении на Харьков.
Поначалу наступление развивалось достаточно успешно. Так, правофланговая 350-я дивизия, выйдя к Купянску, за два дня боев (2–3 февраля) смогла сломить сопротивление противника и освободить город. В дальнейшем дивизия в районе Андреевки успешно форсировала Северский Донец и, не встречая сильного сопротивления противника, успешно развивала наступление в глубину.
На левом фланге части 267-й стрелковой дивизии и 106-й стрелковой бригады наступали в направлении Изюма. Причем удалось осуществить охват города с трех сторон. При этом основные усилия сосредоточивались на флангах изюмской группировки противника. К 5 февраля город Изюм был освобожден советскими войсками. Успешно действовали войска и на центральном участке наступления армии — так, 5 февраля части 172-й стрелковой дивизии освободили Балаклею.