Радянський план битви ґрунтувався на недооцінюванні сил ворога. Німці вже встигли перекинути з Кавказу ослаблені, але все ще грізні 1-шу та 4-ту танкові армії, до Харкова почали прибувати частини свіжого Танкового корпусу СС. Німецькі війська на початку Третьої битви за Харків становили до 70 тис. осіб, у ході битви німці отримували значні підкріплення. Німецькі танкові війська мали: 1-ша й 4-та танкові армії – разом до 350 танків, у ході боїв німці отримали елітну дивізію «Велика Німеччина» (106 танків) і Танковий корпус СС (3 дивізії – «Лейбштандарт Адольф Гітлер» – далі «ЛАГ», «Райх» та «Мертва голова», разом близько 340 танків). Маючи на початку боїв за Харків до 200 літаків, німці швидко перекинули в район битви майже увесь 4-й повітряний флот (до 1 тис. літаків), завоювавши панування в повітрі.
Битва в умовах морозів, а згодом весняної багнюки стала перевіркою на міцність і виснажених після Сталінграда танкових, кінних та піхотних корпусів РСЧА і не менш втомлених корпусів та дивізій вермахту (виняток становив хіба що свіжий Танковий корпус СС, вперше в своїй історії введений у бій у такій ролі).
Битва розпочалася 29 січня 1943 р. з наступу радянської 6-ї армії (Південно-Західний фронт) на позиції двох німецьких піхотних дивізій групи Ланца під Куп’янськом. Обидві дивізії, зазнавши великих втрат, розпалися на декілька груп і були оточені вже до 6 лютого. Радянські війська зайняли Куп’янск, Ізюм і Балаклію, поступово відрізаючи харківське угруповання німців від донбаського. Радянська піхота і за нею група Попова 2 лютого вступили у важкі бої під Лисичанськом з 19-ю, ослабленою 27-ю і 3-ю танковими дивізіями вермахту (почалася операція «Стрибок»). 6 лютого німці залишили Лисичанськ і Краматорськ. До 10 лютого радянське просування на Артемівськ було зупинене контратаками 3-ї і 7-ї німецьких танкових дивізій, а також діями штурмовиків люфтваффе.
2 лютого почалася «Зірка»: 3-тя танкова армія П. Рибалка узяла Великий Бурлук, до 10 лютого у боях з частинами «ЛАГ» і «Рейху» артилеристи, нечисленні танкісти і піхота П. Рибалка форсували річку Сіверський Донець, узявши Печеніги і Чугуїв. У прориви було кинуто радянську кавалерію. 9 лютого радянська 40-ва армія взяла Бєлгород. Ситуація для групи Ланца стала критичною – назрівало оточення. 11 лютого радянські частини були вже на підступах до Харкова, обходячи місто із заходу; наступного дня їм вдалося в ході жорстоких боїв оволодіти Роганню, були розбиті німецькі 320-та і 298-ма піхотні дивізії. Контрудар мотопіхоти СС змусив окопатися кавалеристів радянського 6-го кавкорпусу, і оточення Харкова із заходу не вийшло, тоді як до 14 лютого з півночі місто вже майже обійшли війська РСЧА. Того ж дня групу Ланца передали в розпорядження групи армій «Південь». До цього часу дивізії «ЛАГ» і «Рейх» перебували в напівоточенні і мали на руках наказ Гітлера ні в якому разі не здавати Харків. 15 лютого Пауль Хауссер відкрито порушив цей наказ і почав відведення дивізій СС на захід, прикриваючи відступ батальйоном штурмових гармат, рятуючи еліту військ СС, дивізію «Велика Німеччина» і залишки двох піхотних дивізій. Радянська 40-ва армія швидко взяла місто, німці зайняли оборону на захід від Харкова.