От внимания командующих 21-й и 28-й армий ускользнула перегруппировка сил, которую немцы проводили 19 мая и к исходу этого дня её завершили. Прежде всего они создали ударную группу в выступе, который образовался 19 мая вследствие отхода частей 21-й армии (между населёнными пунктами Муром и Вергелевка). В неё вошли части двух пехотных (83-й и 57-й) и одной танковой (3-й; 40 танков) дивизий [9; 68-69]. В то же время в районе села Нескучное, по которому планировался удар 28-й армии, было сосредоточено до 100 танков 23-й танковой дивизии немцев [9; 69].
С наступлением рассвета 20 мая соединения 28-й армии, за исключением 175 сд, перешли в наступление. В начале оно развивалось успешно. Но с выходом в район южнее Нескучного наступавшие части были остановлены сильным огнём танков, артиллерии и налётами авиации. В 12 часов дня противник начал контрудар, который нанёс по частям 175-й и 169-й стрелковых дивизий. Под воздействием танков и авиации противника, безраздельно господствующей над полем боя, части этих дивизий начали отход по всему фронту в восточном направлении, открывая тем самым левый фланг и тыл 21-й армии [9; 69].
В 17 часов начала наступление немецкая группировка в районе Мурома (т.н. группа Гольвитцера). Она прорвала оборону 21-й армии и овладела северо-западной частью Мурома. Левофланговые соединения 21-й армии, таким образом, оказались в «мешке». Командарм-21 начал отвод частей этих соединений (227 сд и 34 мсбр) и пытался организовать оборону на промежуточных рубежах. Но поспешный отход правофланговых соединений 28-й армии сорвал эти планы [9; 69].
Безрезультатным оказалось и наступление четырёх дивизий 38-й армии на Волхов Яр и Змиев [16; 237].
Не принёс изменения положения и день 21 мая. Все три армии северной советской группировки вынуждены были отражать удары немецких танков и пехоты, которые действовали при активнейшей поддержке авиации. Вместо планируемого наступления наши войска вынуждены были обороняться.
Между тем генерал Паулюс, измотав 21-ю, 28-ю и 38-ю советские армии, заставив их отказаться от наступательных действий и перейти к обороне, скрытно перебросил основные силы 3-й и 23-й танковых дивизий к северному фасу Барвенковского выступа. Здесь они 22 мая нанесли удар, прорвали оборону наших войск, форсировали Северский Донец, начали движение к югу и в этот же день соединились с войсками группы «Клейст» в 10 км южнее Балаклеи. Это означало полное окружение сил 6-й, 57-й армий, ряда частей 9-й армии, а также армгруппы Бобкина в Барвенковском выступе [25; 147], [4; 236-237], [13; 58], [9; 69], [16; 237-238], [5; 101, 176-178, 240-241, 267].
Что касается действий группы «Клейст» за период с 20 по 22 мая включительно, то о них очень точно сказал известный российский историк А. Исаев:
«Вообще манёвры немцев в процессе образования «котла» под Харьковом следует признать одними из наиболее замысловатых за всю войну» [17; 340].
20 мая началось наступление III моторизованного корпуса немцев под командованием генерала Маккензена на запад, почти параллельно занимаемому резервами Юго-Западного направления фронту. Этому корпусу были переданы 16-я танковая и 60-я моторизованная дивизии [17; 340]. Вот они-то и получили приказ наступать на Лозовую. Если взглянуть на карту Барвенковского выступа, то отчётливо видно, что удар с рубежа реки Береки на Лозовую – это удар вглубь ещё не успевшего образоваться «котла». Зачем он был нужен немцам? Им они «убивали сразу двух зайцев». Во-первых, они выходили в тыл оборонявшимся южнее Лозовой соединениям 57-й армии [17; 340]. Во-вторых, немцы рассекали окружаемые советские войска: 57-я и остающиеся на западном берегу Северского Донца части 9-й армии отсекались от 6-й армии и группы Бобкина [5; 268].
14-я танковая дивизия, развернувшись фронтом на северо-запад, осуществляла прикрытие с этого направления корпуса Маккензена от армии Городнянского [5; 268]. При движении вперёд она столкнулась с частями 23-го танкового корпуса генерала Е.Г. Пушкина. 21 мая состоялось сражение, оставшееся в истории как «танковая битва у Протопоповки». Советские танкисты потерпели в нём поражение [17; 340].
Дезорганизовав левый фланг 57-й армии, ударная группировка Клейста разворачивается и рано утром (в 5.30, по немецким данным) начинает движение в северо-западном направлении, т.е. назад к реке Береке [5; 269-270], [17; 341]. 22 мая 14-я танковая дивизия немцев, наступавшая справа от 16-й танковой дивизии, выйдя к Северскому Донцу в районе Петровской, установила контакт с 44-й пехотной дивизией 6-й армии Паулюса, наступавшей на северном фасе Барвенковского выступа совместно с частями 3-й и 23-й танковых дивизий [17; 341], [5; 178, 240-241], [9; 69].