В середине октября боевые действия велись уже на дальних и ближних подступах к городу. С утра 22 октября четыре немецкие пехотные дивизии, усиленные танками, при поддержке авиации и артиллерии предприняли штурм Харькова. В ночь на 25 октября советские войска после пятисуточных тяжелых оборонительных боев по приказу Ставки Верховного Главнокомандования оставили город и закрепились на рубеже Волчанск, Балаклея, Изюм.
С этого рубежа они в январе 1942 г. предприняли первую попытку освободить Харьковский промышленный район в ходе Барвенково-Лозовской операции. В соответствии с ее замыслом войскам Юго-Западного фронта была поставлена задача нанести удар силами 38-й и 6-й армий, разгромить противника в районе Чугуев, Балаклея, Изюм и овладеть Харьковом. Южному фронту предстояло силами 57-й и 37-й армий нанести главный удар в направлении Барвенково, Лозовая.
Операция началась 18 января 1942 г. Ударная группировка Юго-Западного фронта прорвала вражескую оборону и за четыре дня операции ценой значительных потерь продвинулась на расстояние до 25 км. Противник оказывал упорное сопротивление советским войскам, особенно в районах Балаклеи и Славянска. К концу операции общее продвижение двух фронтов составило 90–100 км. Их соединения перерезали железную дорогу Харьков – Запорожье, освободили Барвенково и Лозовую. Однако полностью выполнить поставленную задачу не смогли. Юго-восточнее Харькова образовался большой выступ, получивший наименование барвенково-лозовского плацдарма. Это был крупный оперативный плацдарм, позволявший наносить удар во фланг и тыл харьковской и донбасской группировкам немецких войск.
27 февраля 1942 г. Военный совет Юго-Западного фронта утвердил оперативную директиву о проведении наступательной операции по разгрому чугуевско-балаклеевской группировки противника. Цель операции: нанеся охватывающие удары силами 6-й армии с балаклейского выступа и 38-й армии – с чугуевского, окружить и уничтожить вражеские войска юго-восточнее Харькова и освободить город.
Операция началась 7 марта. По ряду причин не удалось обеспечить внезапность удара. Части и соединения 38-й армии в нескольких местах форсировали Северский Донец. Однако сильное сопротивление противника, сложные погодные условия (морозы, метели, заносы) затрудняли ведение активных боевых действий. Бои шли с переменным успехом до первых чисел апреля. Наступление 6-й армии в районе Балаклеи также не получило должного развития. Немецкие войска были лишь оттеснены на левый берег Северского Донца. В первой декаде апреля обе армии перешли к обороне.