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3月6日，德军对哈尔科夫发动了总攻。失去左翼保护的苏军沃罗涅日方面军被打得措手不及，被迫放弃哈尔科夫。傍晚时分，苏军中央方面军第六十五集团军和坦克第二集团军遭到德军第二装甲集团军预备队2个师的顽强阻击。随后，德军又调来几个师，迫使苏军进攻陷入停滞。但是，苏军中央方面军的骑兵步兵集群比较顺利，向西推进了100~120公里。
3月9日，为增援沃罗涅日方面军，苏联最高统帅部命令南方面军的第六集团军对进攻哈尔科夫的德军发起反攻，然而由于第六集团军在没有准备的情况下发起反攻，最终导致失败。
苏联最高统帅部认为德军可能向哈尔科夫和库尔斯克方向发动进攻，于是命令沃罗涅日方面军加强其左翼，一定要守住哈尔科夫。然而，沃罗涅日方面军难以完成统帅部的命令，通往别尔哥罗德的道路被德军党卫军部队打通。
3月10日，德国党卫军装甲军赶到哈尔科夫西北20公里处的迭尔加奇，继而在博杜霍夫的苏军第六十九集团军和坦克第三集团军接合部撕开了一道35公里宽的缺口。
同日，苏军中央方面军骑兵步兵集群进抵北诺夫戈罗德附近的迭斯纳河岸。希特勒对苏军中央方面军骑兵步兵集群出现在迭斯纳河感到不安，立即从预备队中调来9个师前去阻截。苏军骑兵步兵集群在长达150公里的战线上，遭到德军6个师的夹攻，被迫退回谢夫斯克，只能沿谢夫河一带防守。
3月11日，苏军坦克第三集团军在哈尔科夫郊区和市区与德军展开激战，抵抗从北面和西面进攻的党卫军装甲军以及从南面进攻的德军第四十八装甲军。同时，苏军第四十集团军与突入博里索夫卡的德军劳斯特种步兵军展开了激战，奋力阻止德军向别尔哥罗德进攻。
3月12日，德军进入哈尔科夫市区。
3月13日，希特勒签署了第5号作战命令。该命令要求新任陆军总参谋长蔡茨勒加紧研究库尔斯克地区的军事形势，尽快拟订作战方案。蔡茨勒认为以德军目前的兵力很难完成希特勒命令中提到的作战任务。蔡茨勒非常了解希特勒的脾气，他不愿意充当希特勒宏伟计划的绊脚石，所以除了表示服从之外，什么也没有说，立即投入了紧张的工作，希望尽快拿出令希特勒满意的计划。
经过一段时间紧张的忙碌，蔡茨勒完成了计划草案。他将草案提交到德军最高统帅部各机关并向前线高级指挥官征求意见。一个多月后，正式作战方案出炉了。经过一次又一次的讨论，希特勒终于说服了部下，把库尔斯克突出部作为在东线发动夏季战役的开始。德军将使用坦克部队在狭窄的地段实施高密集的闪击，以达到歼灭苏军中央集团军和沃罗涅日方面军及库尔斯克突出部的战略预备队的主要目的。
这一天，斯大林给朱可夫打了个电话，将其从西北前线紧急召回莫斯科。此时，朱可夫作为最高统帅部的代表正在协助铁木辛哥元帅指挥西北方面军作战，该方面军已经开到洛瓦季河边，准备强渡洛瓦季河迎击曼施坦因的部队。
斯大林语气中明显带着对朱可夫的尊重。他对朱可夫的尊重是有原因的。二战期间，被斯大林撤职的高级军官不少，而被重新重用者不多，而朱可夫是个例外。苏德战争爆发后，德军来势凶猛，很快占领了苏联西北部大片领土。时任苏军总参谋长的朱可夫及时总结战争失利的原因，认为在强大的德军面前，不宜采取单纯的阵地防御，应组织以反突击为主要手段的积极防御战略。根据这一思想，他决定放弃基辅，加强莫斯科方向的防御力量。然而，他的这一计划遭到了斯大林的断然拒绝。斯大林斥责前来汇报工作的朱可夫：“胡说八道，基辅怎么能让给敌人？”
朱可夫针锋相对：“您如果认为总参谋长只会胡说八道，那么，我在这里还有什么用，请您解除我的总参谋长的职务，把我派往前线，或许在那里我会有用。”斯大林没想到朱可夫如此固执，于是便痛快地答应：“这里没有谁都行！”几个小时后，朱可夫便接到了免职命令。
后来，德军围歼消灭了“不惜一切代价”坚守基辅的几十万苏军，很快便占领了这座城市，并从乌克兰向莫斯科方向迂回。此时的斯大林才认识到朱可夫的重要性，于是重新起用了朱可夫，并把他派到局势最危急的列宁格勒。临行前，斯大林指示朱可夫：“你的任务是坚决阻止德国人冲进列宁格勒。”
朱可夫到任的时候，德军已经切断了列宁格勒的全部陆上通道，并开始收缩包围圈。他一面采取各种手段建立完备的防御体系，一面积极组织反突击，利用一切可以利用的机会向德军发动进攻，以杀伤、消耗德军，增强防御的稳定。防线终于稳固下来，一直到苏军开始战略大反攻，德军围困列宁格勒长达900个日夜，却始终未能踏进城市半步。
列宁格勒局势缓解，莫斯科方向开始告急。斯大林又将朱可夫调来指挥莫斯科保卫战。他对朱可夫说：“虽然这里的情况非常严重，但是我打算在十月革命纪念日除了召开庆祝大会外，还要在莫斯科举行阅兵式，你认为目前的局势可以这样做吗？”
朱可夫从斯大林的目光中看到了坚毅、力量和期望，于是他说会尽全力确保庆祝大会和阅兵式的顺利进行。形势严峻，任务艰巨。朱可夫指挥部队积极防御，顶住了德军的进攻，又从其他方向调来战斗机部队，加强了首都空防。纪念日当天，当全副武装的苏军官兵在白茫茫的冬雾中精神抖擞地从列宁墓前通过，接受党和人民检阅，随即直接开赴前线，德军官兵却在莫斯科近郊的严寒中颤抖。之后，朱可夫指挥部队反攻，迫使德军从莫斯科撤退100~250公里，德军遭到苏德战争爆发后的第一次重大战略失败。
莫斯科保卫战的胜利使朱可夫声名远播。从此，斯大林再也没有怀疑过他的指挥才能，并委任他为副统帅，让其代表自己指挥红军作战。战争打得最惨烈的地方就是朱可夫大显身手的地方，也由此成为名副其实的战场“救火员”。战后，斯大林在谈到朱可夫的功绩时赞叹道：“朱可夫的名字作为胜利的象征，将永远不可分离地同整个战场联系在一起！”
朱可夫在电话中详细地向斯大林介绍了洛瓦季河的情况并提出了自己的建议。他说：“洛瓦季河因过早解冻难以通过，西北方面军在此处的进攻不得不暂时中止。”斯大林对此表示赞同。
在两人的通话快结束的时候，斯大林突然对朱可夫说：“我打算派索科洛夫斯基指挥西方面军，你觉得怎么样？”朱可夫弄不清斯大林的意图，但是出于对情况的了解，他还是提出了自己的建议：“我提议派原西方面军司令员科涅夫指挥西北方面军，将铁木辛哥元帅派往南方担任最高统帅部代表，帮助南方面军和西南方面军司令员。因为铁木辛哥元帅对这些地区非常熟悉，而且那里的局势最近又对我们很不利。”
斯大林接受了朱可夫的建议：“好吧，我让波斯克列贝舍夫通知科涅夫，让他给你打电话，你给他下达所有指示。”说完，斯大林停顿了一下，加重语气说：“你明天来最高统帅部一趟，讨论一下西南方面军和沃罗涅日方面军的情况，你要做好准备可能要到哈尔科夫去。”朱可夫立刻明白了斯大林的意思，这说明又有硬仗打了，于是坚定地说：“好的，我即刻出发。”
第二天晚上，朱可夫到达克里姆林宫时，斯大林正在主持召开政治局扩大会议。会议的议题是讨论有关冶金、电力的燃料问题以及飞机和坦克制造厂的问题。朱可夫顾不上休息，立即参加了会议。
参加会议的人员除了政治局委员外，还有苏联各部的领导人以及很多设计师和厂长。从他们的汇报中，斯大林得知，苏联在工业方面的形势依旧很紧张。美国根据《租借法案》提供的对苏援助，有很多未及时到达。斯大林指示各军工厂加班加点研制新式武器，并大量装备部队。他还要求人民委员会和国家计划委员会提早采取有效措施，解决军事经济中存在的问题。
会议于次日凌晨3时30分结束。这时，斯大林才有时间与朱可夫研究哈尔科夫地区的局势问题。斯大林对朱可夫说：“自3月中旬起，库尔斯克州的情况逐渐恶化。德国的装甲部队和摩托化部队从克拉马托尔斯克地域发起的攻势，已经把西南方面军打回了顿涅茨河一带，德军在哈尔科夫西南一带集结了重兵。”
斯大林命令朱可夫天亮前赶赴西南方面军司令部，并巡视前线，采取有力措施。同时，斯大林又给沃罗涅日方面军政委赫鲁晓夫打电话，指责他们没有采取有力措施对付德军的反攻。
斯大林放下电话后，对朱可夫说：“再急也要吃完饭再走。”于是，这位最高统帅拉着朱可夫到餐厅一起吃饭。此时已是凌晨5时。吃过饭后，朱可夫赶赴总参谋部作准备。早晨7时，朱可夫乘机飞往前线。他来到西南方面军司令部后，得知局势进一步恶化。德军攻下哈尔科夫后，向别尔哥罗德方向挺进，还攻下了卡扎奇亚洛潘。
3月14日，德军重新占领了哈尔科夫，苏军“星”计划彻底失败。
在哈尔科夫战役中，苏德双方损失惨重。苏军沃罗涅日方面军阵亡和失踪的人数达100694人，伤139336人，损失坦克和自行火炮1345辆，大炮5291门，飞机417架。德军仅党卫军第一装甲军就损失了12000人。夺取哈尔科夫，是曼施坦因计划中的一部分。