Главным участником уличных боев за Харьков стала дивизия «Лейбштандарт Адольф Гитлер». Утром 11 марта тремя боевыми группами дивизия начала штурм города со стороны Белгородского шоссе. Наименее удачно действовал 2-й танкогренадерский полк, который был остановлен контратаками 86-й танковой бригады. Второй полк дивизии продвигался быстрее и даже вышел к главной площади города. Однако контратаки 179-й танковой бригады заставили отойти назад. В наихудшем положении оказался разведывательный батальон Курта Майера, атаковавший город с северо-востока при поддержке девяти танков и двух самоходных противотанковых пушек. Вследствие нехватки топлива наступление остановилось. Батальон занял круговую оборону на кладбище, контролировавшем дорогу на Чугуев. Вскоре батальон Майера был окружен оборонявшими город советскими войсками.
К 12 марта Г. Гот поменял свое решение об использовании эсэсовских дивизий в штурме города. Втягивание II танкового корпуса СС в уличные бои означало возможность для защитников города вести бои до тех пор, пока это было целесообразно, а затем без помех покинуть Харьков. Поэтому командующий 4-й танковой армией приказал Хауссеру вывести из боев за Харьков дивизию «Дас Райх», сменить ею «Тотенкопф», бросив последний в обход города с северо-востока. Углубившаяся в город на километр дивизия «Дас Райх» была выведена назад и разорвана на две части. Полк «Дойчланд» был брошен на позиции к северу от города, а «Дер Фюрер» должен был обойти город с юга и атаковать ХПЗ.
День 12 марта прошел под знаком решения Г. Гота на обход Харькова. С севера в обход города двинулась боевая группа Баума дивизии «Тотенкопф», сосредоточившаяся к вечеру в Байраке. К югу от города изменил вектор своего наступления XXXXVIII танковый корпус. Теперь он должен был атаковать в направлении Чугуева с целью охвата Харькова с юга. Однако наступление 11-й танковой дивизии с плацдарма у Змиева было неудачным, дивизию встретил сильный огонь артиллерии и противотанковых орудий. На помощь XXXXVIII корпусу выдвигалась 106-я пехотная дивизия.
После вывода из города «Дас Райха» дивизия Дитриха продолжила штурм города в одиночку. Уличные бои за крупный город всегда были непростой задачей. Бичом немецких танков и самоходных орудий стали 76,2-мм пушки, которые оборонявшие город советские войска устанавливали в подвалах и вели огонь вдоль улиц. В результате к ночи с 11 на 12 марта в «Лейбштандарте» числилось всего 17 Pz.IV и 6 Pz.III. Все «Тигры» были в ремонте разной степени сложности, а два «Тигра» были потеряны безвозвратно. Для уличных боев в «Лейбштандарте» были организованы штурмовые группы, каждая из которых поддерживалась танком и 75-мм и 150-мм тяжелыми пехотными орудиями. Гренадеры 1-го полка «Лейбштандарта» продвигались вперед квартал за кварталом, уничтожая огневые точки огнем танковых или пехотных орудий. Вскоре они вышли к центральной площади города. Двигавшийся параллельным маршрутом 2-й танкогренадерский полк «Лейбштандарта» также постепенно вышел к Красной площади города. Батальон Пайпера вновь должен был выручать окруженных – разведывательный батальон Майера на кладбище. На этот раз он лидировал в наступлении всего танкогренадерского полка.
Средств для противодействия обходу города после убытия в 40-ю и 69-ю армии корпусов Вовченко и Баданова в распоряжении командующего 3-й танковой армией не было. Единственным резервом в руках П.С. Рыбалко был 18-й танковый корпус Б.С. Бахарова. Корпус можно смело назвать ветераном «Скачка» и «Звезды». Обе операции он прошел от взлета до падения. Сосредотачиваясь для контрудара совместно с 2-м и 3-м гвардейским танковыми корпусами и возвращаясь обратно в Чугуев, 170-я бригада корпуса успела намотать на гусеницы 11 марта лишние 80 километров и сжечь 8 тонн горючего, так и не увидев противника.
Однако вскоре 18-му корпусу пришлось вступить в бой с эсэсовскими частями. Боевая группа Баума (в которую входил батальон танкового полка дивизии «Тотенкопф») 13 марта вышла к Рогани, где успешно обратила в бегство части 113-й стрелковой дивизии. Однако на пути дальнейшего продвижение эсэсовцев «Тотенкопфа» встали части корпуса Бахарова. В бою за Рогань корпус заявил об уничтожении 5 танков противника огнем своих танков и 12 – артиллерией. Приданный 141-й танковый полк заявил об уничтожении еще 3 немецких танков ценой потери 1 Т-34 и 1 Т-70. В полку оставался 1 Т-34 и 4 Т-70. Ночью 14 марта 18-й танковый корпус получил приказ подчинить себе 173-ю отдельную бригаду Мишулина и выбить противника из Рогани и выйти на северо-восточную окраину Харькова. В 8.00 после залпа двух дивизионов РС 2 танка Т-34 и 4 Т-70 с десантом мотострелков пошли в атаку и выбили немцев из Рогани южной. Однако в 14.00 контратакой, поддержанной танками, были отброшены назад. Совместно с 113-й стрелковой дивизией корпус занял оборону на полпути к Чугуеву, в Каменной Яруге. Согласно докладу командира корпуса, в боях за Рогань 13 и 14 марта было подбито 18 танков противника, 2 бронетранспортера и 7 автомашин. 173-я танковая бригада отчиталась о 13 танках, 15 орудиях ценой потери 12 Т-34. На 14 марта бригада насчитывала 7 танков. На следующий день, 15 марта, полк Баума начал наступление на Чугуев при поддержке авиации. Лидировал в наступлении батальон полка на БТР «Ганомаг». Традиционно наступление поддерживали 20-мм счетверенные установки автоматических зенитных пушек, обрушившие шквал огня на дома, стоящие на окраинах. Снаряды зениток легко пробивали стены строений. К ночи 16 марта боевая группа Баума вышла к Чугуеву.
Корпус Б.С. Бахарова мог задержать смыкание кольца вокруг Харькова на сутки или двое, и эту задачу он в целом выполнил. Поняв, что избежать окружения города не удастся, командующий 3-й танковой армией 15 марта принял решение вывести окружаемые в городе и его пригородах соединения. Радиосвязь с частью соединений отсутствовала, поэтому в приказе П.С. Рыбалко содержалось предписание по его получении информировать своих соседей. 62-я гвардейская стрелковая дивизия получила приказ первой в 14.00 15 марта. 179-я танковая бригада и 17-я бригада войск НКВД получили приказ в 19.00 того же дня. 19, 303-я и 350-я стрелковые дивизии, 104-я стрелковая и 86-я танковая бригады приказа не получили вследствие выхода из строя раций. Благодаря приписке «информировать соседа» приказ в конце концов был получен всеми соединениями. Так находившийся при штабе 19-й стрелковой дивизии генерал-майор Белов, руководивший обороной города, получил информацию об отходе из штаба 62-й гвардейской стрелковой дивизии. Е.Е. Белов принял решение пробиваться в направлении на юго-восток, между Змиевом и Чугуевом. Прорыв должен был осуществляться двумя группами. В первую входили 303-я и 350-я стрелковые дивизии, 17-я бригада НКВД, во вторую – 19-я стрелковая дивизия, 253-я и 104-я стрелковые, 86-я и 195-я танковые бригады. Прикрывать отход должна была 62-я гвардейская стрелковая дивизия. Прорыв был осуществлен в целом успешно, и к 17 марта защитники Харькова сосредоточились на восточном берегу реки Северский Донец. В ходе прорыва погибли командир 17-й бригады войск НКВД полковник И.А. Танкопий и командир 62-й гвардейской стрелковой дивизии гвардии генерал-майор Г.М. Зайцев. В состав 3-й танковой армии поступил 1-й гвардейский кавалерийский корпус, и при его поддержке армия организовывала оборону восточнее Харькова. Стабилизации обстановки способствовало изменение направления движения II танкового корпуса. Корпус сдавал позиции в районе Харькова XXXXVIII танковому корпусу и разворачивался для наступления на север.