Однако эти планы, равно как и замыслы Ставки ВГК, не учитывали конкретной обстановки. Дело в том, что во второй половине февраля немецкое командование перебросило на направления наступления советских войск дополнительные силы и средства — 4 пехотные и 2 танковые дивизии в район южнее Орла, а также по одной пехотной дивизии в районы Льгова и Полтавы. Последние прибыли, соответственно, из Франции и Голландии.
Войска же Воронежского фронта к тому моменту были обескровлены. Только с 1 января по 1 февраля их потери составили более 56,5 тыс. человек. В некоторых дивизиях насчитывалось по 3,5–4 тыс. человек. Войска крайне нуждались хотя бы в кратковременном отдыхе. Необходимо было подтянуть тылы, подвезти боеприпасы, горючее. В войсках фронта осталось только 0,8 боекомплекта патронов, 0,3–0,6 боекомплекта мин и снарядов. Несмотря на это, Ставка ВГК и фронтовое командование требовали от войск не снижать темпы наступления.
И оно продолжалось. К исходу 16 февраля войска 3-й танковой армии занимали следующее положение: 15-й танковый корпус, не задерживаясь в Харькове, овладел 3алютином и вел бои за Песочин; 160-я стрелковая дивизия наступала на Вуды; 48-я гвардейская стрелковая дивизия овладела станцией Основа, захватив на ней 150 паровозов и 12 железнодорожных эшелонов с грузами; 12-й танковый корпус вел бои за Васищево, а 111-я стрелковая дивизия — в районе Борового; 6-й гвардейский кавалерийский корпус, усиленный 201-й танковой и 37-й стрелковой бригадами, сосредоточился в районе Соколова; 62-я гвардейская стрелковая дивизия находилась в Харькове в качестве гарнизона; 179-я танковая бригада была в резерве командарма и сосредоточилась на западной окраине Харькова; 184-я стрелковая дивизия выдвигалась к Соколову.
Еще при развертывании боев за Харьков Ставка ВГК приказала Воронежскому фронту после овладения городом частью сил нанести удар на Сумы, а главными силами — на Полтаву и к исходу 21 февраля выйти на рубеж реки Ворскла. В дальнейшем фронт правым крылом должен был развить наступление на Киев, а левым — на Кременчуг с целью выхода к Днепру и захвата плацдармов на нем до начала ледохода.
3-я танковая армия получила задачу наступать на Полтаву. Справа на Опошню наступала 69-я армия генерала М. И. Казакова. Слева на Красноград наступали правофланговые соединения 6-й армии Юго-Западного фронта.
Командующий 3-й танковой армией приказал 15-му танковому корпусу, 48-й гвардейской и 160-й стрелковым дивизиям к исходу 17 февраля овладеть Валками, а 12-му танковому корпусу и 111-й стрелковой дивизии — Новой Водолагой. 6-му гвардейскому кавалерийскому корпусу и 184-й стрелковой дивизии была поставлена задача наступать на Рябухино, Староверовку, обеспечивая левый фланг армии от ударов противника[13].
Перейдя в наступление утром 17 февраля, 15-й танковый корпус к исходу того же дня овладел Песочином, а к утру 18 февраля достиг Люботина и завязал упорные бои с панцер-гренадерской дивизией «Великая Германия», отчаянно оборонявшей город. 12-й танковый корпус освободил Безлюдовку, а в середине дня 18 февраля совместно со 111-й стрелковой дивизией, которой командовал полковник И. Г. Зиберов, овладел Мерефой.
Чтобы в кратчайший срок сломить сопротивление противника в районе Люботина, командарм приказал 12-му танковому корпусу нанести удар на Валки, а 160-й стрелковой дивизии, усиленной 195-й танковой бригадой 15-го танкового корпуса, обойти Люботин и овладеть Старым Мерчиком.
Возобновив наступление, 12-й танковый корпус на рубеже реки Мжа встретил упорное сопротивление противника и успеха не имел. Поэтому он нанес удар в западном направлении, утром 20 февраля овладел Будами, а затем, обойдя Люботин с юга и юго-запада, к исходу 21 февраля завязал бои за населенный пункт Огульцы. К этому времени главные силы 160-й стрелковой дивизии овладели Старым Мерчиком, а 195-я танковая бригада с одним стрелковым полком дивизии — хутором Медвежьим и с запада повела наступление на Люботин. Панцер-гренадерская дивизия «Великая Германия», опасаясь окружения, в ночь на 22 февраля начала отходить из города.
Преследуя противника, 15-й танковый корпус на рассвете 22 февраля овладел Люботином, а к исходу дня совместно с 12-м танковым корпусом освободил Огульцы. 48-я гвардейская стрелковая дивизия завязала бои за Старую Водолагу, 111-й стрелковая дивизия — за Новую Водолагу, а 6-й гвардейский кавалерийский корпус совместно со 184-й стрелковой дивизией овладел поселком Рябухино.