Ставка Верховного Главнокомандования предусматривала с началом Курской битвы, переход в наступление нескольких соседствующих фронтов, чтобы немецкое командование не могло усилить войска на курском направлении. Юго-Западный фронт должен был начать наступление на Барвенково; Южный фронт — из района Матвеев Курган на запад, на Сталино и далее на Мелитополь; Брянский фронт — на Орел; Западный фронт — на Карачев. В такой обстановке немецкое командование лишалось всякой возможности маневрировать резервами.
Карта-схема Изюм-Барвенковской наступательной операции.
Согласно замыслу советского командования главный удар в направлении на Барвенково, Красноармейское из района Изюма должны были наносить своими смежными флангами 1-я и 8-я гвардейские армии. На вспомогательном направлении действовала 3-я гвардейская армия, которой предстояло ударить из района Привольное на Артёмовск. Подвижной группировке фронта ставилась задача войти в прорыв, нанести удар в направлении на Сталино и во взаимодействии с войсками Южного фронта окружить донбасскую группировку противника. В ходе операции советским войскам предстояло преодолеть хорошо организованную оборону, проходившую по правому крутому берегу Северского Донца и состоящую из 2-3 полос. Высоты и населённые пункты в глубине обороны были превращены в узлы сопротивления. На участке наступления Юго-Западного фронта, оборону держала часть Группы армий «Юг»: 57-й танковый корпус, 40-й танковый корпус, 30-й армейский корпус и оперативная группа «Кемпф»
В состав Юго-Западный фронта входили: 1-я гвардейская, 3-я гвардейская, 8-я гвардейская, 12-я армии, 23-й танковый корпус, 1-й гвардейский механизированный корпус и 17-я воздушная армия. Общая численность советских войск составляла 202 тысячи человек.
Форсирование советскими войсками реки Северский Донец.
Немецкие войска в обороне.
На рассвете 17 июля советские войска начали артиллерийскую и авиационную подготовку, после чего стрелковые части начали форсирование Северского Донца. К концу дня им удалось продвинуться вглубь немецкой обороны до 5 км. Дальнейшее продвижение было остановлено сильным сопротивлением и непрерывными контратаками обороняющихся. Последовавшая на следующий день попытка увеличить мощь наступающих войск путём ввода в бой подвижных корпусов успеха не принесла. К тому времени и немецкое командование подтянуло из оперативного резерва три танковых дивизии. Все попытки завершить прорыв тактической зоны немецкой обороны были отбиты. Развернулась борьба за расширение и объединение захваченных плацдармов. За 10 дней непрерывных боёв размер захваченной территории достиг около 30 км по фронту и 10-12 км в глубину. 3-я гвардейская армия на своём направлении успеха не имела. К 27 июля 1943 года советское наступление «выдохлось».
В результате операции советским войскам не удалось решить поставленные задачи. Тем не менее, форсировав Северский Донец и захватив крупный плацдарм на его правом берегу, они сковали силы противника, оказав тем самым существенную помощь войскам Воронежского фронта в обороне на южном фасе Курской дуги. Кроме того, чтобы парировать удар Красной Армии, командование Вермахта перебросило в район Донбасса из-под Харькова 5 танковых и из-под Орла одну моторизованную дивизии, что облегчило переход в контрнаступление войскам Воронежского и Степного фронтов. Потери советских войск в ходе наступления составили 38 тысяч человек.