Однако нарушение связи в войсках, находившихся на барвенковском выступе, не позволило своевременно провести намеченную перегруппировку сил. Части 23-го танкового корпуса начали выводиться из боя лишь во второй половине 18 мая, а 21-й танковый корпус — только в 10 часов 19 мая. События продолжали развиваться крайне неблагоприятно. Вследствие отхода соединений 9-й армии и продвижения противника на север вдоль Северского Донца создалась угроза окружения советских войск, действовавших в барвенковском выступе.
19 мая Генеральный штаб вновь высказался за прекращение наступления, предложив основные силы ударной группировки фронта повернуть для ликвидации угрозы окружения. Однако Верховный Главнокомандующий вновь отклонил это предложение. Фронт еще раз попытался прорвать оборону 8-го немецкого армейского корпуса, но безуспешно. В этой обстановке маршал С. К. Тимошенко 19 мая в 19 часов отдал приказ на переход к обороне на всем барвенковском выступе, с тем, чтобы сосредоточить основные силы на разгроме прорвавшейся группировки врага. Общий фронт обороны достигал 145 км. Предполагалось, что часть войск займет оборону, а основные силы 6-й армии и два ее танковых корпуса совместно с 57-й армией нанесут контрудар и разгромят прорвавшегося в тыл врага. Это решение было утверждено Ставкой ВГК, но и оно оказалось запоздалым[73]. На какое-то время наступление врага было остановлено.
Но вражеское командование продолжало наращивать силу своего удара. Сосредоточив две танковые, одну моторизованную и две пехотные дивизии в районе Красный Лиман, Новониколаевка, противник 20 мая, нанес удар в северном направлении. Одновременно неприятель стал перебрасывать из Харькова еще две танковые дивизии для наступления навстречу группе Клейста. Преодолевая слабое сопротивление советских войск, ему удалось к исходу дня 20 мая выйти в район Петровская, Красный Лиман. Для 6-й армии (генерал А. М. Городнянский) и армейской группы Л. В. Бобкина, объединенных в группу под командованием генерала Ф. Я. Костенко, ситуация из критической переросла в катастрофическую. Развязка наступила 23 мая, когда армейская группа «Клейст», наступавшая из-под Краматорска, в 10 км южнее Балаклеи соединилась с частями 6-й немецкой полевой армии, перерезав советским войскам, действовавшим в барвенковском выступе, пути отхода на восток через реку Северский Донец.
В окружении оказались восемь стрелковых дивизий 6-й армии, пять стрелковых дивизий 57-й армии, две стрелковые дивизии армейской группы генерала Л. В. Бобкина, шесть кавалерийских дивизий 2-го и 6-го кавалерийских корпусов, два танковых корпуса (восемь танковых и мотострелковых бригад), пять отдельных танковых бригад, артиллерийские, инженерные, тыловые части различного предназначения, части обеспечения и обслуживания[74]. Их состояние было крайне тяжелым. Командующий 6-й армией генерал А. М. Городнянский докладывал в штаб Юго-Западного фронта: «На 22 мая 18.00 в войсках армии горючего 0,5 заправки. Некоторые части, особенно артиллерийские, горючего не имеют. Полностью отсутствует масло, боеприпасов — 0,7 бк, продфуража от двух до четырех сутодач. Подвоз с армейской базы прекратился со второй половины 21 мая»[75].
Соединения, отрезанные западнее Северского Донца, были объединены в группу «Юг» под общим командованием заместителя командующим фронтом генерала Ф. Я. Костенко. Главной задачей этой группы был прорыв кольца окружения и выход из него. Для этого главными силами необходимо было нанести удар на Савинцы с целью планомерного вывода войск за реку Северский Донец. Навстречу должны были наступать соединения левого фланга 38-й армии, усиленные сводным танковым корпусом. Однако противник это не позволил сделать, без оперативной паузы возобновив с утра 24 мая наступление. Окруженная группировка была расчленена и дезорганизована.