1942年5月13日

第2天早上仍然温暖晴朗。苏军的3个集团军都在夜间进行重新编组并在黎明后不久重新发动进攻。

在战线最北端，戈尔多夫的第21集团军进展顺利，步兵第76师和步兵第293师终于把他们的桥头堡连成了一片。可当这2个师开始向西推进时却遭到了德军79步兵师在穆罗姆和格拉福夫卡据点的顽强抵抗。由于缺乏坦克支援，他们不得不等待炮兵前调才能发起进攻。下午，步兵第293师在坦克的支援下向穆罗姆发起了新一轮进攻，并在傍晚夺取了镇子里的一些地方。而德军在穆罗姆的博宁战斗群只能阻止苏军进一步扩大战果，无力将苏军赶出镇子。尽管得到了2个反坦克炮连和2个工兵连，德军也无力保护自己面临严重威胁的侧翼，苏军随时有可能包围该地在穆罗姆以南，戈尔多夫的步兵第227师和坦克第10旅在德军第79步兵师的防线上发现了一个薄弱环节并大胆地前进了6公里，攻占了姆拉列沃和韦索基。

在南面德军第294步兵师防御地段，德军的防线面临全面崩溃的危险，施特雷克尔和纽林只能寄希望于增援部队的抵达。如果苏军部队继续维持5月12日的进攻烈度，第294步兵师将很有可能被彻底撕成碎片，苏军将在几个小时内冲进距离他们只有不到20公里距离的哈尔科夫城！

在接管第23装甲师之前，布赖特将军前往第294步兵师师部了解情况，在他到达师部时，苏联空军对第294步兵师师部所在地进行了猛烈轰炸！虽然师部里的参谋们几乎被轰炸声震聋了耳朵，但实际上除了被炸毁了几辆油罐车外，德军惟一的人员损失是一名来自警察部队的士兵被炸伤。在经历了这个插曲后，布赖特告知纽林该师原有的雷克战斗群和第211步兵团被交给了第3装甲师，这就意味着此时第294步兵师的兵力已经被抽干了，师部接到了收容部队掩护哈尔科夫城和前线交通线这一次要任务。

在德军第294步兵师当面的苏军中，罗季姆采夫的近卫步兵第13师已经在前一晚上到达波瑞姆加边缘，利亚贝舍夫又给他从第二梯队的步兵第38师派来了1个团以进攻这个小镇。温克勒尔战斗群残部和第429步兵团一部试图在波瑞姆加组织防御，但他们的火力处于极大的劣势。罗季姆采夫用2个近卫步兵团对该镇发动了向心突击，于是德军又经历了一场灾难，大部分步兵溃逃，第294炮兵团1营损失了6门150mm榴弹炮，温克勒尔战斗群几乎被从德军战斗序列中抹去。在战斗胜利的鼓舞下，罗季姆采夫的部队又向西前进了5公里到达彼得洛夫科耶外围，德军炮兵和工兵在那里挡住了他们。就在罗季姆采夫向西前进的同时，他右翼的步兵第244师和坦克第57旅也在向西北方向的韦西洛耶前进。

就在罗季姆采夫享受巨大战果时，利亚贝舍夫的第28集团军的其余部队正在集中精力消灭德军在捷尔诺瓦亚的抵抗。苏军坦克已经开始从南面包围该镇，而德军位于瓦尔瓦罗夫卡的200名前哨部队已经在早晨被消灭。格鲁纳上校在捷尔诺瓦亚的阵地比德军的其它据点要坚固得多，而且除了3个步兵营外，他还有2门50mm反坦克炮和1门榴弹炮，兵力总计约2000人。利亚贝舍夫在回忆录中称：“之前建立该镇的我们的祖先一定不是随便选择了这个镇子的地理位置，而是充分利用了这一有利地形来构筑这个镇子以抵抗鞑靼人和其他蛮族的入侵”。具有讽刺意味的是，这一镇子却被德军用来对付利亚贝舍夫的进攻。

利亚贝舍夫命令步兵第169师和步兵175师完成对捷尔诺瓦亚的合围后，发起全面进攻，格鲁纳在镇子外围实施了颇有技巧的迟滞作战，在当天大部分的时间里躲过了遭合围的危险。苏联空军用30架飞机对该镇进行了轰炸，但由于利亚贝舍夫认为在捷尔诺瓦亚只是进行战斗收尾工作，只投入了坦克第84旅进行支援。结果格鲁纳不但守住了镇子，而且在当天大部分时间里一直将数量不少的苏军牵制在那里。气馁的利亚贝舍夫命令第二梯队的步兵第38师（由于1个团被调给了近卫第13步兵师，此时该师只有2个步兵团）继续围困捷尔诺瓦亚，步兵第169师和步兵175师则继续向西推进。利亚贝舍夫此时还没有认识到，由于他未能在捷尔诺瓦亚投入足够的兵力迅速达成决定性的胜利，这对苏军北部攻击集群造成了致命的后果。在第38集团军的地段上，莫斯卡连科正在因收到德军装甲部队在向其运动的情报而感到担心，铁木辛哥命令他的集团军继续进攻，但为了对付德军的反突击，铁木辛哥命令莫斯卡连科抽出坦克第13旅、坦克第36旅和坦克第144旅并把它们调拨给特地组建的坦克第22军。这一决定的后果就是莫斯卡连科的三个突击集群在继续前进的时候缺少足够的坦克支援，然而即便没有坦克，德军也无力阻止莫斯卡连科向米查伊洛夫卡和切尔夫纳罗甘卡的推进。中午12点，戈尔巴托夫的步兵第226师距哈尔科夫仅剩12公里的路程。

就在此刻，当德军第294步兵师的防线已经被完全突破，哈尔科夫门户洞开之时，德军发动了第一次大规模反击。第52战斗机联队第3大队刚从克里米亚返回，并在11点30分在哈尔科夫以东与苏军遭遇，击落了至少7架苏军战斗机，自己仅损失1架Bf-109，著名的战斗机王牌格拉夫包揽了其中的4架战果，约12点30分，第3装甲师的施密特·奥托战斗群（第6装甲团3营、第3摩托化步兵团1营）和第211步兵团在韦斯特霍芬的统一指挥下，从韦西洛耶向涅波克雷塔亚方向迎头痛击了前一天表现最为出色的戈尔巴托夫的步兵226师和步兵第124师右翼部队，施密特·奥托战斗群沿公路进攻，同时第211步兵团从侧面包抄。施密特·奥托战斗群遭遇了苏军构筑良好的防御阵地，因此推进不快，苏军炮兵曾试图用直瞄火力阻止德军坦克，并在被摧毁前击毁了第3装甲师2—3辆坦克。由于苏军的注意力被施密特·奥托战斗群吸引住，第211步兵团因此进展迅速，傍晚两支部队推进到了涅波克雷塔亚附近并夺取了该地，但步兵第226师在当晚发起了一轮反击，击退了立足未稳的德军，抢回了涅波克雷塔亚。

此时，德军第23装甲师在波罗沙亚—巴卡以西对步兵第124师南翼发动进攻，海德布兰德战斗群和基尔战斗群轻松打垮了步兵第124师的防御，一路推进。莫斯卡连科派出坦克第133旅向第23装甲师左翼的第23摩托车营发起了反击，这个营被突然出现的苏军坦克打得措手不及，所幸第23装甲师预备队中的第201装甲团3营及时赶到，击退了苏军的反击，苏军损失了10辆坦克，而德军这一猛烈的装甲反击彻底打残了步兵第124师，也给步兵第81师也造成了严重损失。当日日终，第38集团军被击退回其出发阵地并遭受了约5000人的伤亡。

巴格拉米扬在回忆录中是这样记述德军这次反击的：

下午1点，方面军指挥所响起了电话铃声，我听到听筒里传来了基里尔·谢苗诺维奇（指莫斯卡连科）惊慌的声音，他报告敌人正在航空兵的支援下，以坦克重兵集团向集团军的进攻部队翼侧，即旧萨尔托夫方向发起总攻。

随后查明，希特勒匪徒在夜间和5月13日上午集中了2个快速集团向第38集团军实施反突击，其中1个集团由3个坦克师和第71步兵师的2个团组成，该集群选定普里沃利耶村为反突击出发地域，另1个集群由第23坦克师和第44步兵师的1个团组成，该集团从扎波罗日耶方向实施反突击，敌军每个突击集团大概有150—200辆坦克，第38集团军突击集团无法承受这么多坦克和步兵在航空兵强大支援下实施的反突击，已被压迫到大巴布卡河东岸。

从巴格拉米扬的记述中可以看出，苏军在德军突然而来的反击前缺乏心理准备，以致于大大高估了反击德军的实力，事实上德军第71步兵师和第44步兵师的所属部队此时还在后方没有赶到战场，所谓的3个坦克师不过是第3装甲师的1个装甲营和1个摩托化步兵营所组成的战斗群，所谓强大的航空兵不过是第52战斗机联队的20架战斗机，德军的俯冲轰炸机此时还没有从克里米亚赶回来。德军的这次战术反击宣告了苏军第38集团军进攻计划的破产，该集团军不得不狼狈撤回大巴布卡河东岸构筑防线。更糟的是，前一天莫斯卡连科用光了自己手中那点可怜的预备队。参加反击的200余辆德军坦克中仅有3辆被击毁，另有19辆丧失战斗力—损失率为10%，这也意味着德军的2个装甲师所属的部队可以在接下来的几天里继续给苏军北翼突击集团造成严重损失。

第38集团军遭受的挫折是铁木辛哥在计划中错误估计德军反应的第一个迹象，当出现意外情况时，优秀的指挥官会像拿破仑和克劳塞维茨所指出的那样，以自己的洞察力抓住局势的根本特点并迅速采取行动夺取主动权。而糟糕的指挥官只会漫无目的地把部队调来调去。对苏军来说，不幸的是铁木辛哥正是这种缺乏洞察力的糟糕指挥官，显然和他的两位下属——巴格拉米扬和莫斯卡连科一样，他也被德军突如其来的反击打晕了头，竟然决定通过削弱担负主攻任务的第28集团军继续向哈尔科夫进攻的兵力，来增援第38集团军——铁木辛哥决定把利亚贝舍夫第二梯队的近卫坦克第6旅和步兵第162师派去增援38集团军，由于利亚贝舍夫的第二梯队仅剩的步兵第38师已经被用于攻击捷尔诺瓦亚的德军据点，因此铁木辛哥批准从西南方面军预备队中给利亚贝舍夫一个步兵师（步兵第277师），但要4天之后才能到达。苏军北部突击集群中惟一没有投入战斗的大部队就是近卫骑兵第3军，在前线打成一锅粥时，由于之前没有接到参战命令，该军此时刚刚开始渡过北顿涅茨河，进入旧萨尔托夫桥头堡！当苏军的攻势在经过前一天半的顺利进行后，到攻势发动第2天日终时，胜负的天平正逐渐倾向德军一侧。