Для контрудара, который должен был спасти армию Паулюса от разгрома, немецкое командование задействовало прибывающие с запада резервы. Это были 20–я румынская пехотная дивизия и детища немецкой «перманентной мобилизации» — 384–я и 389–я пехотные дивизии.
Прибывающие дивизии должны были уплотнить фронт уже существующих соединений. В наступлении на Барвенково задействовался III моторизованный корпус Э. фон Маккензена (14–я танковая, 1–я горно–егерская, 100–я легкопехотная дивизии, итальянская боевая группа Барбо и прибывшая 20–я румынская дивизия). Корпус Маккензена попал в этот район еще зимой 1942 г. в ходе отражения наступления на Красноармейское в ходе Барвенковско–Лозовской операции. Практически лишенная тогда танков, 14–я танковая дивизия в течение весны получала машины из ремонта и пополнение. Но качественно обстановку изменило прибытие 20–й румынской дивизии и группы Барбо, которым дали ши рокий фронт и максимально уплотнили ударную группировку «старых» дивизий корпуса Маккензена.
На Долгенькую должен был наступать XLIV армейский корпус в составе 68–й пехотной, 97–й легкопехотной и прибывающих 384–й, 389–й пехотных дивизий и 16–й танковой дивизии. Корпус в незначительно изменявшемся составе находился в районе Славянска еще с зимы 1942 г. и подчинялся штабу 17–й армии. 16–я танковая дивизия генерала Хубе к моменту начала боев за Харьков была еще не в лучшем состоянии. Танковый полк состоял из двух батальонов, насчитывавший 18 танков Pz.II, 36 Pz.III и 17 Pz.IV. Мотопехота соединения была сведена в один полк из пяти рот. Поступление новой техники позволило сформировать отдельный батальон двухротного состава на БТР «Ганомаг».
Однако всего вместо штатных 16 рот мотопехоты в наличии было только 7 рот. Артиллерийский полк состоял из четырех дивизионов (вместо девяти штатных). Дивизия дислоцировалась в районе Сталино и Артемовска. 14 мая 16–я танковая дивизия получила приказ на выдвижение в новый район. Перегруппировка корпуса на наступление осуществлялась обычным способом. 68–я пехотная дивизия получила широкий фронт (она образовывала слабый центр «канн» III и XLIV корпусов), а 16–я танковая, 384–я пехотная, 97–я легкопехотная и полк 389–й пехотной дивизии составляли ударную группировку. Два полка 389–й дивизии составляли резерв. Вспомогательный удар должен был наносить LII корпус (101–я легкопехотная, два полка 257–й пехотной дивизии). Все три корпуса объединялись в так называемую группу Клейста. В резерве группы Клейста была 60–я моторизованная дивизия. Всего в составе группы Клейста было 166 танков и 17 штурмовых орудий.
В результате перегруппировки и усиления войск группа Клейста на 20–километровом участке фронта против стыка 341–й и 106–й стрелковых дивизий 9–й армии сосредоточила в первой линии пять пехотных полков и танковую дивизию. На 21–километровом участке на стыке 335–й и 51–й стрелковых дивизий было сосредоточено двенадцать пехотных полков и 16–я танковая дивизия. Немцами было достигнуто примерно двукратное превосходство в силах.
В ночь на 17 мая немецкие войска закончили перегруппировку, и в 4.00 утра началась артиллерийская подготовка, продолжавшаяся полтора часа. К 8.00 фронт обороны 9–й армии на обоих направлениях был прорван. Уже в первые 2,5 часа наступления на барвенковском направлении III моторизованный корпус Э. фон Маккензена продвинулся на 6—10 км, a XLIV и LH в направлении на Долгенькую — на 4—6 км. Уже к полудню немецкие войска продвинулись на 20 км и завязали бой на окраинах Барвенкова. Вскоре, сломив сопротивление полка 333–й стрелковой дивизии, 1–я горно–егерская дивизия заняла большую часть Барвенкова. В район Долгенькой наступающие соединения XLIV армейского корпуса вышли уже к 14.00 первого дня наступления. Показательно, что наступление одна из немецких ударных группировок начала из района удержанного немцами зимой 1942 г. Славянска. Город был из тех пунктов, которые требовалось брать «в лоб» и бесполезно обходить. В Долгенькой наступающие немцы разрушили узел связи. В результате связь штаба Южного фронта с 9–й армией отсутствовала до 24.00 17 мая.
Штаб Южного фронта узнал о начавшемся наступлении противника только во второй половине дня 17 мая. В штаб Юго–Западного направления о произошедшем было доложено только к исходу дня. К этому моменту оборона 9–й армии была прорвана на всю глубину, и группа Клейста вела бои уже с оперативными резервами Южного фронта. Отсутствие информации о прорыве привело к тому, что находившийся поблизости от прорыва 2–й кавалерийский корпус (резерв направления) и 14–я гвардейская стрелковая дивизия (резерв 57–й армии) весь день простояли на месте, не зная о случившемся и не имея приказов на противодействие прорвавшемуся противнику. По итогам первых дней оборонительных боев командующий 9–й армией генерал–майор Ф. М. Харитонов был отстранен, и его место занял генерал–майор П. М. Козлов.
В конце дня С. К. Тимошенко задействовал эти резервы и приказал Р. М. Малиновскому восстановить положение силами 2–го и 5–го кавалерийских корпусов и 14–й гвардейской стрелковой дивизии. Кроме того, по приказу командующего Южным фронтом по железной дороге и автотранспортом перевозилась к прорыву 296–я стрелковая дивизия и 3–я танковая бригада.
Пока на южном фланге наступления назревала катастрофа, в полосе наступления южной ударной группировки фронта были введены в бой 21–й и 23–й танковые корпуса. Первый начал наступление в 5.00, второй потратил время на форсирование р. Берестовой и начал наступать в 8.00. Поскольку авиация корпуса Рихтгоффена была задействована в полосе наступления группы Клейста, продвижение вперед шло довольно быстро. 21–й и 23–й танковые корпуса продвинулись на 15 км, а наступающие стрелковые соединения 6–й армии — на 6—10 км.
Наступление северной ударной группы 17 мая фактически прекратилось. Командующий 38–й армией не закончил перегруппировку и попросил отложить наступление на сутки. Наступление 28–й армии было упреждено противником, и вместо наступления армия Д. И. Рябышева вела тяжелые оборонительные бои. Наступление 3–й танковой дивизии привело к деблокированию гарнизона Терновой. Одновременно противник перешел в наступление против 21–й армии силами прибывшей 168–й пехотной дивизии. К исходу дня 17 мая 21–я армия перешла к обороне. В целом можно сделать вывод, что переброской резервов с других участков фронта и из заготовленных для «Фридерикуса» сил командованию 6–й армии удалось остановить наступление «птицы–тройки» Юго–Западного фронта.
К исходу 17 мая в штабе Юго–Западного фронта поступили сведения о захваченных разведкой 38–й армии документах, свидетельствующих о том, что с 11 мая немецкое командование планировало перейти в наступление из района Балаклеи. Очевидно, это были планы первоначального варианта «Фридерикуса». Ознакомившись с документами, С. К. Тимошенко сопоставил их текст с наступлением против Южного фронта и сделал вывод о намерениях противника срезать барвенковский выступ. Было решено прекратить наступление и предпринять ряд срочных мер по парированию. В 00.35 18 мая по радио командующему 6–й армией было приказано вывести из боя 23–й танковый корпус и выдвинуть его на рубеж р. Берека. Река протекала с запада на восток к северу от Барвенкова и представляла собой удобный рубеж обороны. В район Изюма также была направлена 343–я стрелковая дивизия вместе с батальонами танков и противотанковых ружей.
