这时，苏军最高统帅部仍然认为德军发起反突击是为了掩护南方集团军群从米乌斯河撤到第聂伯河以西。为了支持沃罗涅日方面军，南方方面军根据苏军最高统帅部的指示，于3 月9 日以第六集团军从兹米耶夫地域出发，
向新沃多拉加方向对进攻哈尔科夫的德军实施翼侧反击，但是因准备不足，反击未能收到预期效果。
苏最高统帅部预计德军可能向哈尔科夫和库尔斯克方向继续发动突击，于2 月28 日给沃罗涅日方面军司令下达了命令，要求他在预备队开到之前，必须在方面军内部调整兵力部署，以加强方面军的左翼，可靠地掩护哈尔科夫方向。但是，沃罗涅日方面军司令未能全部完成最高统帅部的指示。
3 月4～6 日期间，德军更变了部署。随即于3 月4 日以坦克第四集团军的主力，由美利霍夫卡和奥霍查那向苏坦克第三集团军发动进攻，苏坦克第三集团军的部队顽强地击退了德军的进攻，始终未让德军由南突向哈尔科夫。德军被迫转师向西对苏第六十九集团军和坦克第三集团军的接合部实施主要突击。
3 月6 日晨，德军以坦克第四集团军和“肯百夫”战役集群相邻翼侧的军队发起进攻。苏军进行了艰苦的防御战斗后，于3 月7 日放弃了瓦耳基，3月9 日又放弃了柳博亭。
3 月10 日，德党卫坦克军进入哈尔科夫西北20 公里的迭尔加奇地域，并在博戈杜霍夫地域的苏第六十九集团军和掩护哈尔科夫西及西南接近地的坦克第三集团军之间打开了一个宽达35 公里的缺口（通往别尔戈罗德的道路已经打开）沃罗涅日方面军未能堵住缺口。
3 月1 日至15 日，苏军坦克第三集团军在哈尔科夫接近地上和市区内展开了顽强的防御战斗，抗击从北面和西面迂回哈尔科夫的德党卫坦克军以及在哈尔科夫以南向东进攻的德坦克第四十八军。这时苏军第四十集团军正对突入博里索夫卡（别尔戈罗德以西40 公里）的德劳斯步兵军进行激战，竭力阻止德军向别尔戈罗德推进。3 月12 日，德军突入到哈尔科夫的街头，两天后对该城进行了合围。在与敌优势兵力进行激烈战斗后，苏军被迫于3 月16日放弃哈尔科夫。
德军接着以其主力向别尔戈罗德推进。“肯百夫”战役集群以劳斯步兵军自西南进攻别尔戈罗德，党卫坦克军从哈尔科夫以南进攻该城。苏军第六十九集团军在德军的攻击下，被迫退却，3 月18 日苏军放弃别尔戈罗德。与此同时，苏军第四十集团军因左翼被“肯百夫”战役集群包围，也不得不向哥特尼亚方向北撤。
至此，苏军最高统帅部才意识到德军的行动并不是掩护撤退的牵制性行动，中央方面军和沃罗涅日方面军有被孤立的危险。第三坦克集团军奉命突破哈尔科夫附近的包围圈。沃罗涅日方面军和西南方面军撤退到顿涅茨河以东大约60 公里处，设防固守，制止了德军的行动。3 月22 日，德军统帅部下令德军停止进攻，转入防御，3 月23 日，别尔戈罗德—哈尔科夫方向上的战线开始稳定下来。
沃罗涅日方面军转入防御后，在科烈涅沃、克拉斯诺波利耶、戈斯提舍沃、以及沿北顿涅茨河左岸直到沃耳昌斯克一线设防固守，组成被称为库尔斯克突出部的南部正面。
苏军在奥廖尔～布良斯克方向上的进攻主要粉碎德坦克第二集团军，并对德中央集团军群基本兵力的翼侧和后方发展进攻。而德军不仅要固守奥廖尔突出部，并且还计划从这里向南对库尔斯克发动进攻，接应坦克第四集团军，从而扩大已在哈尔科夫地域内发起进攻的正面。为此德军统帅部调来7个师加强奥廖尔以南的力量。
2 月26 日晨，苏中央方面军的第六十五集团军和坦克第二集团军向布良斯克总方向，骑兵步兵集群向谢夫斯克和斯塔罗杜布总方向发起进攻。到3月6 日日终，苏第六十五集团军和坦克第二集团军遇到德军坦克第二集团军预备队的2 个师加强的德军部队的有组织的、顽强的抵抗，以后几天，德军调来几个师的援兵，苏军的进攻没有得到进一步的发展。方面军的骑兵步兵集群顺利发展进攻，向西推进了100～120 公里，到3 月10 日已在北诺夫戈罗德以北前出到迭斯纳河。
德军统帅部对苏中央方面军骑兵步兵集群前出到迭斯纳河深感不安，急忙从预备队中抽出9 个师的兵力阻击。苏军分布在长达150 公里的弧形战线上，遭到德军4 个师从南和2 个师从北的夹击，未能击退德军的进攻，不得不退到谢夫斯克地域，沿谢夫河设防固守。
从3 月21 日起，苏中央方面军在姆岭斯克、诺沃西耳、布良策沃、谢夫斯克和雷耳斯克一线转入防御，组成了库尔斯克突出部的北部正面。
由于苏德战场南翼的形势已开始恶化，由于德军大批的增援兵力，苏军在奥廖尔—布良斯克方向的进攻未能奏效。但苏军粉碎了德军统帅部从奥廖尔进攻库尔斯克以接应德坦克第四集团军扩大其进攻正面的企图。
尔热夫—维亚兹马突出部是苏德战场最靠近苏联首都的一个地段。德军在莫斯科附近失败后，付出了巨大的努力和代价才守住这个地段。德军中央集团军群约有2/3 的兵力在这个地段上行动。
由于德军在苏德战场南翼的情况恶化，苏军在奥廖尔—布良斯克方向开始进攻，德军统帅部决定放弃这一突出部，腾出兵力投入奥廖尔地域。这时德军已经丢失了迭米扬斯克突出部。
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