Во второй половине дня противник частями 168-й пехотной дивизии перешел в наступление на участке 293-й стрелковой дивизии 21-й армии и оттеснил ее с занимаемого рубежа к западной окраине Мурома.
Это заставило командующего 28-й армией прикрыть свой фланг и тыл со стороны Мурома не введенными еще в бой частями подвижной группы.
В связи со все более осложнявшейся обстановкой в барвенковском выступе командующий Юго-Западным фронтом категорически потребовал от командующего 28-й армией ускорить разгром немецкой танковой группировки, с тем чтобы высвободить часть сил и получить возможность перебросить их на усиление левого фланга Юго-Западного фронта.
Командующий 28-й армией получил указание командующего фронтом начать наступление с утра 20 мая, но 277-ю стрелковую дивизию и 58-ю танковую бригаду в бой не вводить. Учитывая опыт предшествовавших боев, в которых противник упреждал войска армии в начале наступления, командующий армией приказал начать наступление на рассвете 20 мая. Основной целью наступления по-прежнему был разгром танковой группировки противника в районе Веселое — Терновая.
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.
Согласно новому плану, группа «Юг», прикрывшись с юго-востока, должна была нанести главными силами удар на Савинцы с целью планомерного вывода войск за реку Северский Донец. Для помощи окруженной группировке в составе Южного фронта был создан Сводный танковый корпус, который, действуя на фланге 38-й армии Юго-Западного фронта, должен был наступать навстречу частям, прорывавшимся из окружения. Одновременно были перенацелены силы 38-й армии, прорывавшей внешнее кольцо окружения в районе Чепель.
Первоначально для формирования Сводного танкового корпуса использовалась матчасть 3, 15-й танковых бригад. На 23 мая 1942 года 15 тбр имела в строю 29 танков (20 Т-34 и 9 Т-60), а 3 тбр — 33 танка (8 KB, 9 Т-34 и 16 Т-60). Полноценного штаба танкового корпуса не было — для управления использовались остатки штаба 121-й танковой бригады. Отсутствие сколоченного штаба крайне затрудняло руководство танковыми бригадами и их обеспечение. Например, несколько дней личный состав Сводного танкового корпуса не был обеспечен продуктами питания.
Когда же танки бригад стали выдвигаться в исходные районы сосредоточения, оказалось, что переправы в районе н/п Гороховатка и в районе н/п Чистоводка отсутствуют. По спешно наведенной в течение трех часов переправе сумели переправиться только легкие танки. Остальным пришлось искать обходной маршрут.