12 мая после мощной артподготовки Советские войска перешли в наступление с севера и с юга от Харькова. Для немцев, которые сами готовились начать наступление 18 мая, этот опережающий удар оказался все же неожиданным.
На северном фланге 28-я армия, наступая в районе Волчанска, прорвала немецкий фронт на глубину 65 км и к 17 мая вплотную приблизилась к Харькову. В городе уже была слышна артиллерийская канонада и все ждали скорого освобождения. На южном фланге действующая из барвенковского выступа ударная группировка также прорвала фронт и, углубившись на 25-50 километров, вышла к Мерефе и Краснограду, полуокружив последний, создала угрозу окружения Харькова с запада.
На северном флаге войска 28-й армии вышли к пригородам Харькова, но немцы перебросили на этот участок дополнительные силы с южного фланга и задействовали силы, которые готовились для удара по основанию барвенковского выступа. Немецкое командование, имея превосходство в живой силе, усилило сопротивление на северном фланге и наступление советских войск застопорилось. Начались ожесточенные бои между Чугуевом и Старым Салтовом, откуда советские войска пытались окружить Чугуев. Никто не хотел уступать, например, село Песчаное многократно в течение нескольких дней переходило из рук в руки, но советские войска не смогли продвинуться дальше.
Командующий группы армий «Юг» фельдмаршал Бок вышел с предложением передать ему из 1-й танковой армии, готовящейся к удару по основанию барвенковского выступа, несколько дивизий, чтобы остановить наступление противника. Но это ставило крест на операции «Фридерикус», поэтому ему отказали и начали подготовку контрнаступления у основания барвенковского выступа.
На южном фланге 6-й армия вела себя пассивно, командарм не спешил вводить в прорыв 21-й и 23-й танковые корпуса и это позволило немцам перебросить войска на северный фланг и остановить наступление советских войск. Скорее всего, если бы на южном фланге возникла более серьезная угроза окружения Харькова с запада, немцам пришлось бы снимать войска из под Славянска и перебрасывать их на угрожающее направление. Но советское командование не спешило с разворачиванием наступления, потеряло время и немцы смогли сконцентрировать войска для удара в основание выступа.
К тому же войска Южного фронта не предпринимали активных действий, а подчиненные Южному фронту 57-я и 9-я армии, занимавшие южную сторону барвенковского выступа, не готовились даже к активной обороне. Боевые порядки войск были не эшелонированы, отсутствовало инженерное оборудование местности и глубина обороны составляла всего 3-4 км.
В процессе охвата Харькова войска несли большие потери, поскольку танки и пехота часто бросались на хорошо укрепленные узлы обороны противника без разведки и подавления их артиллерией. К 17 мая войска были измотаны непрерывными боями и на многих участках фронта остановлены противником.