337-я стрелковая дивизия под командованием полковника С.М. Бушева с рассветом первого дня наступления подверглась налетам авиации, на нее двинулись танки противника. Неоднократные атаки рубежа Морозовка, Ольховатка успеха не имели. Однако на следующий день полковник Бушев сконцентрировал усилия на левом фланге, и части дивизии энергичным ударом овладели Жуковкой, а к исходу 20 января с боем заняли Волобуевку и несколько более мелких населенных пунктов. На правом фланге дивизия также встретила сильное огневое сопротивление, но, преодолев его, с ожесточенными боями 20 января заняла Шуровку. Таким образом, на своем левом фланге она прорвала оборону противника, разгромила 131-й полк 44-й пехотной дивизии врага и за четыре дня с боями продвинулась на глубину до 10 км. Однако соседняя справа 253-я дивизия застряла перед узлом сопротивления Балаклея.
411-я стрелковая дивизия, которой командовал полковник М.А. Песочин, наступавшая при поддержке 7-й танковой бригады, несмотря на сильное огневое сопротивление противника, расширила плацдарм на западном берегу Северского Донца и с утра 19 января продолжила продвижение в общем направлении на Чепель. Оборона врага была прорвана, 188-й полк 68-й пехотной дивизии врага понес тяжелые потери, и его остатки поспешно отходили в юго-западном направлении. Для их ликвидации полковник Песочин бросил подвижные отряды лыжников. Они наносили удары с флангов и с тыла, организовывая при этом засады.
Успех дивизии использовали ее соседи. В результате этого сопротивление противника на флангах резко ослабло. В итоге четырехдневных упорных боев на направлении главного удара соединения 6-й армии взломали оборонительную систему врага на всю глубину, разгромили 44-ю и 298-ю немецкие пехотные дивизии, а также один полк из состава 68-й пехотной дивизии.
Неплохих результатов добились и соединения левого фланга 6-й армии – 393-я стрелковая дивизия под командованием полковника И.Д. Зиновьева, 270-я стрелковая дивизия под командованием полковника З.Ю. Кутлина. С выходом их частей на рубеж Протопоповка, Петровская, Грушеваха завершился разгром изюмской группировки противника.
Таким образом, на первом этапе операции 6-я армия не только успешно выполнила поставленные перед ней задачи, но и прочно обеспечила правый фланг ударной группировки Южного фронта от ударов противника с северо-запада. Это означало, что удачно начавшееся наступление армии окажет положительное влияние на дальнейшее планомерное развитие операции в целом. Вместе с тем прорыв обороны немецких войск, разгром 44-й и 298-й пехотных дивизий врага создали благоприятные условия для ввода в сражение 6-го кавалерийского корпуса.
В целом планомерно развивалось наступление в полосе 57-й армии. В итоге четырехдневных кровопролитных боев ее частям и соединениям удалось на направлении главного удара преодолеть тактическую зону обороны противника на всю ее глубину и к исходу 21 января выйти на линию Великая Камышеваха, Базалеевка, Морозовка, Маяки, Райгородок, продвинувшись своей ударной группировкой на глубину до 23 км. Создались условия для ввода в прорыв подвижной группы фронта, состоявшей из 1-го и 5-го кавалерийских корпусов. На славянском направлении, где небольшими силами наносился вспомогательный удар, продвижение было незначительным.
Медленно развивалось наступление в полосе 37-й армии. Несмотря на мужество и героизм личного состава, частные успехи нескольких ее соединений, задачи, поставленные перед армией, не были выполнены. Тем не менее и здесь удалось нанести серьезное поражение 295-й и 76-й немецким пехотным дивизиям, сковать резервы противника в районе Краматорска.
12-я армия, имея незначительный боевой состав, наступала на вспомогательном направлении, южнее 37-й армии. В период с 18 по 21 января она безуспешно пыталась прорвать сильную оборону противника и развить наступление в направлении на Дзержинск. Войска действовали активно и настойчиво, но им удалось добиться лишь небольших успехов, сковать силы врага, находившиеся против них, а также его ближайшие резервы, расположенные в районах Горловки и Орджоникидзе.
Наступление 38-й армии Юго-Западного фонта на ее правом фланге в обход Харькова с северо-востока с самого начала не получило развития. Правофланговые соединения, пройдя с тяжелыми боями около 10 км, освободили ряд населенных пунктов северо-восточнее города, но дальше продвинуться не смогли. Этим воспользовалось немецкое командование, чтобы перебросить войска из района Харькова к Балаклее.