Общее состояние сил противника и его намерения перед фронтом северной ударной группировки командующими 21-й и 28-й армиями оценивались весьма оптимистично. По их мнению, противник понес в предыдущих боях громадные потери, истощен и готов прекратить наступление. Это заключение командующие армиями доложили командующему фронтом. Командующий 21-й армией не получил указания о наступлении и решил день 20 мая использовать для приведения войск в порядок, замены зимнего обмундирования летним и ограничился постановкой войскам задач по улучшению позиций.

Представление командующих 21-й и 28-й армиями о противнике не соответствовало действительности. К исходу 19 мая немецкое командование закончило сосредоточение боевой группы «Гольвитцер» (до двух полков 83-й пехотной дивизии) в выступе, который образовался 19 мая между Муромом и Вергелевкой вследствие отхода частей 21-й армии, и произвело перегруппировку сил перед фронтом 28-й армии. Суть этой перегруппировки заключалась в том, что против стыка 21-й и 28-й армий были переброшены 3-я танковая дивизия (до 40 танков) и два полка 57-й пехотной дивизии, а части 23-й танковой дивизии (до 100 танков) и два полка 71-й пехотной дивизии были переброшены в район Нескучное.

С наступлением рассвета 20 мая соединения 28-й армии, за исключением 175-й стрелковой дивизии, перешли в наступление и начали успешно продвигаться. Но с выходом в район южнее Нескучное, где были сосредоточены главные силы 23-й танковой дивизии, наступавшие части были остановлены сильным огнем танков, артиллерии и налетами авиации. В 12 часов противник приступил к осуществлению своего контрудара по частям 175-й и 169-й стрелковых дивизий 28-й армии. Под воздействием танков и авиации противника, беспрерывно действовавшей над полем боя, части этих дивизий начали отход по всему фронту в восточном направлении, открывая тем самым тылы соединений 21-й армии.

В 17 часов начала наступление группа «Гольвитцер». Она прорвала оборону 21-й армии и овладела северо-западной частью Мурома. В этой обстановке командующий 21-й армией начал отвод частей 227-й стрелковой дивизии и 34-й мотострелковой бригады из образовавшегося мешка и пытался организовать оборону на промежуточных рубежах. Но поспешный отход правофланговых соединений 28-й армии сорвал эти планы.

К вечеру 20 мая немцам своими подвижными войсками удалось выйти в район Петровская, Красный Лиман. 21 мая германская танковая группировка, действовавшая против правофланговых войск Юго-Западного фронта, была перенацелена на новое направление и получила приказ повернуть на Балаклею и из района западнее этого города наступать навстречу группе «Клейст».

В тот же день 3-я и 23-я танковые дивизии противника были выведены из боя в полосе правофланговых войск Юго-Западного фронта и приступили к выполнению новой задачи. 22 мая они находились уже в районе Балаклеи. К этому времени соединения армейской группы Клейста успели овладеть Чепелем, Волобуевкой и Гусаровкой. Поэтому танковой группировке 6-й армии оставалось только форсировать Северский Донец и, пройдя всего лишь от 10 до 25 км, соединиться с войсками, наступавшими с юга, что она и сделала в тот же день. В районе Гусаровки (10 км южнее Балаклеи) германские группировки соединились.

Итак, 22 мая «ловушка захлопнулась». В окружении оказались 6-я и 57-я армии (20 мая 1942 года решением главкома ЮЗН 57А была подчинена Юго-Западному фронту. — Примеч. авт.), а также армейская группа генерал-майора Л. В. Бобкина. Пути отхода на восток за реку Северский Донец этим объединениям был отрезан.

Однако внутреннего и внешнего фронтов окружения в тот момент у немцев еще не имелось, и можно было попытаться вывести из «кольца» наши войска. Попытки таких действий были. Уже днем 22 мая командарм 38А генерал К. С. Москаленко прибыл в левофланговую группу войск, возглавляемую его заместителем генералом Г. И. Шерстюком, и попытался использовать сосредоточенные ранее силы для новой задачи: ударом из района н/п Савинцы на Чепель деблокировать окруженных. При этом имелось в виду, что наступление начнут частью сил все стрелковые дивизии, составляющие эту группу, совместно с переданными ей 242-й стрелковой дивизией и 114-й танковой бригадой, а затем оно будет поддержано войсками, прорывающимися изнутри вражеского кольца, и резервами фронта — 3-й и 15-й танковыми бригадами.

Но последние не успели подойти своевременно, а собственных сил для решения этой задачи в группе войск генерала Г. И. Шерстюка оказалось недостаточно.

Образование группировки «Юг». Бои в окружении (23–28 мая 1942 года).С 23 мая в штабе сначала Южного фронта, а затем Юго-Западного направления стали разрабатываться планы по спасению окруженной группировки советских войск, однако переправы через реку Северский Донец в районе Студенок находились под артиллерийским и минометным огнем противника. Поэтому операция, проводимая силами 3, 12-й и 15-й танковых бригад Южного фронта, была временно отменена.

Вечером 23 мая главнокомандующий Юго-Западным направлением принял решение прорвать фронт окружения и вывести войска на левый берег реки Северский Донец. С этой целью из войск 6-й и 57-й армии, а также армейской группы оказавшихся в окружении, была создана группа «Юг» («Южная группа») под командованием замкомандующего Юго-Западным фронтом генерал-лейтенантом Ф. Я. Костенко. Это решение было санкционировано Ставкой Верховного главнокомандования. Однако время было упущено. Окружение наших войск на барвенковском плацдарме стало фактом.