此时方面军已极度虚弱，人员和武器损失巨大，总共只有７０辆坦克，许多步兵师的人员不足４０００人，后方运输线长达２５０到３００公里，武器、弹药和燃料奇缺。没有战役预备队，从后方调集的增援部队尚在途中。鉴于哈尔科夫附近的形势急剧恶化，斯大林命令刚刚晋升元帅的华西列夫斯基返回沃罗涅日方面军，协助方面军指挥部抗击敌人的反攻。
重占哈尔科夫
曼施坦因在变更部署后，指挥坦克第４集团军和“肯普夫”战役集群开始向哈尔科夫、别尔哥罗德方向实施纵深突击。参加突击的德军共有１７个师，其中有６个装甲师。
３月４日，德军开始对苏军坦克第３集团军实施强有力的突击，苏军虽然奋勇抗击，但仍不能阻止德军的强大突击。９日日终前，苏军防御中出现了一个４５公里宽的缺口，由于兵力不足，无法封闭这一缺口。最高统帅部从西南方面军和预备队中抽调了三个坦克军交给戈利科夫指挥，但是这些部队本身已元气大伤，因此也未能阻止德军的进攻。
连续不断的战斗使苏军第６９集团军和坦克第３集团军极为疲惫，他们无力抗拒德军的突击，坦克损失惨重。这样，沃罗涅日方面军的情况变得异常危险了。并出现了德军可能进入中央方面军后方的危险。为了防止新的不幸，苏联大本营不得不采取紧急措施，将第２１集团军和坦克第１集团军调往别尔哥罗德以北奥博扬地域，从南面掩护库尔斯克方向，以解除对中央和沃罗涅日两个方面军后方的威胁，同时将斯大林格勒附近的第６４集团军急速调给沃罗涅日方面军指挥。
但是远水解不了近渴，３月１４日，在曼施坦因的指挥下，冲劲十足的党卫装甲坦克第２军成功地合围了哈尔科夫城。当天晚上，戈利科夫被迫下令放弃该城。１７日凌晨，坦克第３集团军突出重围，但其主力被德军歼灭殆尽，坦克第１５军军长科普佐阵亡。该集团军残部退向北顿涅茨河并编入西南方面军。经此一战，沃罗涅日方面军后退了１００公里以上。
沃罗涅日方面军的失利使斯大林极为恼怒，他对方面军军事委员会委员赫鲁晓夫大加雷霆，并决心撤掉戈利科夫的职务。为挽救危局，朱可夫元帅奉命紧急赶往前线亲自指挥作战，最高统帅部预备队和友邻方面军中可能调动的部队都被用来堵塞缺口。
曼施坦因极想乘此机会，与北面的“中央”集团军群一起，对库尔斯克实施相向突击，围歼突出部内的苏军重兵集团，并缩短德军战线。然而，面对苏军强大兵力的阻击，德军兵力有限，加之大地已经解冻，曼施坦因不得不在２７日停止了进攻。
叶廖缅科在《战争年代的总参谋部》中说，这场战役的失利是“因为油料不足和敌人于２月１９日出乎意料地发起了反攻”，并承认是因斯大林格勒战役的胜利而过分乐观，低估了德军实力所致。
这场会战意义深远。德军在斯大林格勒遭到的灾难性失败，导致其南翼集团面临被全歼的危机。曼施坦因在极为险恶的局势下，凭借其出色的指挥，挽狂澜于既倒，将一场艰难的大规模撤退战紧接着发展成一个成功的反击战，一举重创了苏军两个方面军，从而解除了斯大林格勒战役所带来的南翼危机，德军重新获得该战线的战场主动权，稳定了战局。此役因此被称为“北顿涅茨河上的奇迹”。战后曾有人说过，如果不是这次成功的反击战，第三帝国的覆亡至少要提前一到两年。
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