Части 30-й кавалерийской дивизии полковника В. С. Головского, остатки 12, 15, 121-й танковых бригад и 51-й стрелковой дивизии отошли с боями на рубеж Северского Донца и до исхода дня упорно сопротивлялись наседавшему со всех сторон противнику вблизи сел Студенки и Богородничное. В этих боях массовый героизм проявил личный состав 51-й стрелковой, 30-й и 60-й кавалерийских дивизий. Командиры и красноармейцы мужественно сражались против превосходящих сил гитлеровцев.
В районе Студенки части 51-й стрелковой и 30-й кавалерийской дивизий сумели удержать небольшой плацдарм на правом берегу Северского Донца, отражая непрерывные атаки врага. За день боя они уничтожили не одну сотню вражеских солдат и офицеров. Не сумев сломить сопротивление оборонявшихся здесь частей и форсировать Северский Донец в районе Студенки, Изюм, фашистское командование изменило направление усилий своих танковых частей. Они стали выдвигаться на запад вдоль правого берега Северского Донца.
К исходу 19 мая почти все части 9-й армии отошли на левый берег Северского Донца и начали готовить оборону на стыке с 57-й армией, в полосе которой войска противника вели себя пассивно. Пользуясь этим, дивизии 2-го кавкорпуса с утра 19 мая перешли в решительную контратаку.
Сломив сильное сопротивление врага, конники корпуса вышли на рубеж Золотивка, Грушеватский. Однако их попытки развить наступление дальше натолкнулись на ожесточенное сопротивление 60-й моторизованной дивизии врага.
Убедившись, что сил, направленных для разгрома барвенковской группировки противника, недостаточно, главком Юго-Западного направления только во второй половине дня 19 мая принял запоздалое решение приостановить наступление в полосе 6-й армии, закрепиться частью сил на достигнутых рубежах, вывести основную группировку войск из боя и концентрическим ударом 6, 57, 9-й армий разгромить прорвавшегося в их тылы противника.
Группе генерала Ф. Я. Костенко в составе пяти стрелковых, трех кавалерийских дивизий и трех танковых бригад была поставлена задача прочной обороной достигнутых рубежей обеспечить с запада наступление войск 6-й и 57-й армий.
6-й армии в составе пяти стрелковых дивизий, двух танковых корпусов и одной отдельной танковой бригады надлежало, прикрывшись по реке Северский Донец с севера, главные силы скрытно развернуть к утру 21 мая на рубеже Большая Андреевка, Петровка и нанести удар в общем направлении на восток.
57-я армия получила задачу, прикрываясь частью сил с запада, тремя стрелковыми дивизиями и 2-м кавалерийским корпусом ударить по флангу прорвавшейся группировки противника в обход Барвенкова с юга. Армия с 19 мая переходила в подчинение Юго-Западному фронту.
9-й армии предписывалось, сдерживая противника на рубеже реки Северский Донец, наступать основными силами из района Студенки в западном направлении.
Навстречу войскам, выходящим из окружения, предстояло нанести удар группе, созданной по приказу главкома, которую возглавил генерал-майор Г. И. Шерстюк, заместитель командующего 38-й армией. В составе одной стрелковой дивизии и трех танковых бригад она должна была наступать с востока в направлении Чепель, Лозовенька, а четыре левофланговые дивизии 38-й — нанести удар в направлении Волхов Яр, Змиев.
Два дня прошли в напряженных боях, главным образом, с прорвавшимися на барвенковском направлении вражескими танками.
22 мая боевое напряжение достигло кульминации. Группа Клейста с бешеным упорством продолжала рваться на север, в сторону Чепеля. Одновременно с чугуевского выступа Паулюс бросил обе свои танковые дивизии в южном направлении. Невзирая на героическое сопротивление наших войск, врагу удалось к исходу дня перерезать последние коммуникации, связывавшие войска 6-й и 57-й армий с тылом.
Исходя из сложившейся обстановки, главком С. К. Тимошенко решил ударную группировку 38-й армии, предназначавшуюся ранее для наступления из Волхова Яра на Змиев, использовать для восстановления коммуникаций войск барвенковского выступа в районе Савинц.
В течение 23–24 мая бои на плацдарме продолжали оставаться предельно ожесточенными. Враг изо всех сил стремился расширить коридор, отсекавший советские войска от переправ через Северский Донец, а они делали все возможное, чтобы прорвать кольцо окружения и отойти на левый берег реки.
Поскольку на действия наших частей и соединений отрицательно влияло отсутствие единого командования, маршал С. К. Тимошенко принял решение войска 6-й, 57-й армий и армейской группы генерала Л. В. Бобкина свести воедино под общим командованием генерал-лейтенанта Ф. Я. Костенко. Главной задачей этой южной группы войск, как ее назвали, было ударом в направлении Савинцы прорвать кольцо окружения и выйти на левый берег Северского Донца. Одновременно с этим войска левого крыла 38-й армии, усиленные сводным танковым корпусом, получили приказ наступать навстречу частям, прорывавшимся из окружения.
В ночь на 24 мая спешно производились перегруппировка и сосредоточение частей и соединений для выполнения поставленной задачи. Но утром к выполнению задачи удалось приступить лишь частично, так как с рассветом враг возобновил наступление на широком фронте, стремясь расчленить окруженную группировку на отдельные, изолированные друг от друга части.
С утра 26 мая войска южной группы начали наступление с целью прорыва кольца окружения. В первый эшелон ударной группы были включены 103-я стрелковая дивизия комдива Я. Д. Чанышева, 150-я дивизия генерал-майора Д. Г. Егорова, 317-я дивизия полковника Д. П. Яковлева и танковые части 23-го танкового корпуса. В итоге ожесточенных боев, в ходе которых противнику был нанесен немалый урон, вырваться удалось лишь немногим. Кольцо окружения разрывалось лишь на краткий срок, а затем, в силу огромного превосходства врага и возможностей маневра, которые у него имелись, пробитые с громадными усилиями нашими воинами бреши вновь закрывались.
Весь этот день командующий южной группой и его штаб прилагали героические усилия, чтобы сохранить личный состав, боевую технику и вооружение от непрекращавшихся массированных налетов авиации и ударов артиллерии противника, наладить управление и подготовить более решительные действия с целью прорыва из окружения.
Наступление возобновилось в ночь на 27 мая. Ударная группа прорывавшихся войск выбила ночной атакой гитлеровцев из Лозовеньки и продвинулась к востоку на 5–6 километров. Но с рассветом противник вновь занял этот населенный пункт. Группа советских войск в течение 28 и 29 мая вынуждена была выходить из окружения небольшими отрядами.
Господствовавшая в воздухе авиация противника наносила большие потери нашим частям и нарушала управление войсками. Днем буквально все было прижато к земле, и только наступление ночи позволяло подразделениям без тяжелого вооружения просачиваться через кольцо окружения за реку Северский Донец и соединяться с основными силами.
В это же время западнее Лозовеньки сосредоточивались силы, прикрывавшие до этого войска 6-й армии от ударов с запада. Сюда же к утру 27 мая вышла и 266-я стрелковая дивизия полковника А. И. Таванцева, которая полностью сохранила свою боеспособность. В ночь на 28 мая части ее, составлявшие ядро ударной группы, прорвали кольцо окружения врага и к утру 28 мая вышли в район Волвенково, Волобуевка. С ними вместе пробились сюда и остальные части и подразделения, находившиеся западнее Лозовеньки. В ночь на 29 мая эта группа ударом с тыла прорвала при содействии войск 38-й армии линию фронта противника по правому берегу Северского Донца и успешно вышла в расположение основных сил у Чепеля.
В своих воспоминаниях об этом эпизоде Маршал Советского Союза К. С. Москаленко пишет следующее: «Гитлеровское командование приложило большие усилия к тому, чтобы ликвидировать прорыв и не выпустить окруженных из смертельного кольца. Но не добилось успеха.
38-я армия нанесла удар снаружи в условиях, когда окруженные делали то же самое изнутри. Благодаря этому нам удалось вывести из окружения около 22 тысяч красноармейцев, командиров и политработников.