Уже десятого мая Паулюс представил фон Боку план операции под кодовым названием «Фридрих», предусматривавшей ликвидацию Барвенковского выступа, возникшего в ходе январского наступления армий Тимошенко. Опасения Бока относительно нового наступления Красной Армии подтвердились даже раньше, чем он думал. Сосредоточив 640 000 человек, 1 200 танков и почти 1 000 самолетов, Тимошенко 12 мая, за 6 дней до начала операции «Фридрих», предпринял наступление в обход Волчанска и из района Барвенковского выступа с целью окружить Харьков. Бок посоветовал Паулюсу не торопиться с контратакой и, главное, не действовать без поддержки авиации. Но уже к вечеру этого дня советские танковые бригады прорвали фронт 8-го корпуса генерала Вальтера Гейтца, а отдельные танковые соединения Красной Армии оказались всего в 15–20 километрах от Харькова.
Утром следующего дня Бок наконец осознал, что наступление русских имеет значительно большие масштабы, чем казалось раньше. На позиции, обороняемые войсками Паулюса, обрушился ураганный артиллерийский огонь. В ходе трехдневных ожесточенных боев под проливным дождем немцы несли серьезные потери. Было уничтожено 16 батальонов, но Паулюс не сомневался, что в данной ситуации лучше всего продолжать удерживаться на занимаемых рубежах. У Бока имелись другие соображения. По его настоянию Гальдер убедил Гитлера в том, что 1-я танковая армия Клейста может нанести русским контрудар и тем самым превратить оборонительное сражение в победу германского оружия. Фюрер, который, казалось, только и жил ради таких мгновений, быстро оценил все выгоды подобного предложения. Выдав идею за свою собственную, он приказал Клейсту выдвинуть свою танковую армию на ударные позиции против южного фланга русских, а Люфтваффе сделать все возможное, чтобы прижать к земле наступающие советские войска до тех пор, пока Клейст не изготовится.
На рассвете 17 мая 1-я танковая армия Клейста нанесла удар в южный фланг Барвенковского выступа. К полудню войска вермахта продвинулись на 12-15 километров, даже несмотря на то, что немецким танкам пришлось вести бой с русскими «тридцатьчетверками» на близких дистанциях.
Уже вечером Тимошенко обратился в Москву с просьбой о подкреплении и приостановке наступательной операции. Правда, по словам Г. Жукова, Тимошенко не сообщил в Ставку о том, что создалась реальная угроза окружения его наступающих армий. Резервы были выделены, но они могли прибыть в район боевых действий только через два-три дня. До этого времени Генеральный штаб предлагал нанести по наступающим немцам контрудар силами двух танковых корпусов и одной стрелковой дивизии. Позже член Военного совета фронта Н. Хрущев утверждал, что Сталин упорно отказывался дать разрешение войскам Юго-Западного фронта перейти к обороне и выйти из-под удара. (Кстати говоря, именно это затем вменялось в вину Сталину во время известного доклада Хрущева на XX съезде КПСС.)
Только 19 мая Тимошенко отдал приказ переходить к обороне, получив наконец разрешение Верховного Главнокомандующего, но было уже слишком поздно.
Бок решил, что настал момент, когда Паулюс должен нанести удар с севера и захлопнуть ловушку. В результате в окружении оказалось более четверти миллиона советских солдат. Бои отличались огромной ожесточенностью. Один из старших офицеров 389-й пехотной дивизии вспоминает, что его гренадерскому полку довелось даже встретиться с красноармейским женским батальоном, солдаты которого, пропустив немцев через свои боевые порядки, затем открыли по ним огонь с тыла.
Еще один случай произошел во 2-м танковом полку 16-й танковой дивизии вскоре после завершения окружения советских войск в районе Барвенковского выступа.
Несколько самоходных орудий из этого полка с наступлением ночи оказались прямо в расположении частей Красной Армии. Командовал самоходками легендарный офицер граф фон Штрахвитц, имевший прозвище «танкист от кавалерии». Он прославился еще в годы Первой мировой войны, когда его подразделение в 1914 году оказалось ближе всех к Парижу, так, что солдаты даже могли видеть французскую столицу невооруженным глазом. В свои 49 лет граф сохранил роскошные черные усы и был похож на кинозвезду 20-х годов. Но самое главное, он по-прежнему прекрасно мог ориентироваться в обстановке и умело избегал лишнего риска, чем завоевал себе репутацию удачливого командира.
Поскольку в наступившей темноте совершенно невозможно было понять, где они находятся, Штрахвитц приказал занять круговую оборону, а с первыми проблесками зари отправился с капитаном бароном Берндом фон Фрайтаг-Лоригофеном и двумя артиллеристами на ближайший холм на рекогносцировку. Едва четыре офицера прильнули к своим биноклям, как Штрахвитц внезапно схватил барона за руку и повалил на землю. В тот же момент раздался взрыв снаряда, и оказавшиеся не столь осторожными два других офицера погибли. Оказывается, на соседнем холме располагалась русская батарея, давно пристрелявшая всю местность. Штрахвитц, не теряя времени, приказал прорываться, и вскоре его подразделение без потерь присоединилось к своей дивизии.
Почти неделю солдаты Красной Армии отчаянно сражались, пытаясь прорвать кольцо окружения и остановить врага. Часто они едва ли не с голыми руками бросались на немецкие окопы, в основном атакуя по ночам. Но кольцо захлопнулось прочно, и красноармейцы тысячами погибали в призрачно-мертвенном свете немецких осветительных ракет. Возле германских окопов возникли целые валы из мертвых тел, а те, кто выжил в жестоких атаках, вряд ли верили, что им удастся выбраться из этой мясорубки. Один неизвестный русский солдат, попавший в плен в Барвенковском котле, записал на обрывке бумаги, что он, наверное, больше никогда не увидит свою любимую.
Спастись удалось лишь одному красноармейцу из каждых десяти. 6-я и 57-я армии, попавшие в «Барвенковскую мышеловку», были полностью уничтожены. Армии Паулюса и Клейста захватили почти 240 000 военнопленных, 2 000 орудий и большую часть танков, имевшихся в распоряжении Тимошенко. Потери немцев составили не более 20 000 человек. Поздравления пошли потоком из всех штаб-квартир. Паулюс обнаружил, что стал героем нацистской прессы, обычно неохотно певшей дифирамбы «реакционным аристократам». В данном случае, видимо, сыграло роль «народное» происхождение Паулюса. Фюрер наградил его Рыцарским крестом и послал ему поздравление, в котором выражал свое «восхищение успехом 6-й армии, сумевшей разгромить численно превосходящего противника». Уже через много лет после войны Шмидт, начальник штаба у Паулюса, утверждал, что главным итогом этого сражения стало изменение отношения его командующего к Гитлеру. Решение фюрера нанести контрудар по Барвенковскому выступу убедило Паулюса в гениальности диктатора, а также в том, что ОКБ прекрасно оценивает стратегическую ситуацию.
По иронии судьбы в это же время Паулюс получил необычно эмоциональное письмо из генерального штаба от майора графа Клауса фон Штауффенберга. Граф, которому довелось некоторое время провести с Паулюсом во время Барвенковской операции, выражал свою признательность за теплый прием, оказанный ему в штабе 6-й армии. «Это подобно глотку свежего воздуха, – писал Штауффенберг. – Так приятно вырваться из этой удушающей атмосферы туда, где люди проявляют свои лучшие качества и жертвуют своими жизнями без малейших колебаний.