关于具体的作战计划，西南方向总指挥铁木辛哥提出了西南方向的进攻计划，斯大林对此很感兴趣。苏军总参谋长沙波什尼科夫却不同意该计划，他认为苏军没有足够的预备队提供给铁木辛哥。朱可夫也反对该计划，他认为苏军应该主攻西方向，在其他方向进行积极防御。斯大林认为朱可夫过于谨慎。
最后，斯大林批准了铁木辛哥发动哈尔科夫进攻战役的计划。哈尔科夫进攻战役计划规定：苏军从沃尔昌斯克地区和巴尔文科沃发动向心突击，夺取哈尔科夫，为收复顿巴斯创造有利条件。
5月，西南方面军准备在哈尔科夫方向发动进攻，计划在沃尔昌斯克突击，同时在巴尔文科沃突出部突击。
5月12-29日，西南方面军和南方面军在哈尔科夫附近发动了哈尔科夫战役。苏军在铁木辛哥的指挥下，以23个步兵军、2个坦克军和2个骑兵军的兵力进攻哈尔科夫的德军第6集团军。
哈尔科夫州位于乌克兰东北部，面积为3.14万平方公里，主要是平原，北部有丘陵，南部为顿涅茨山。富含天然气、煤、泥炭和磷灰石等。哈尔科夫属于温带大陆性气候，年降水量为500毫米。北顿涅茨河纵贯全州。
哈尔科夫市是乌克兰第二大城市和最大的工业、交通中心，是哈尔科夫州的首府。哈尔科夫市座落于哈尔科夫河、洛潘河和乌达河汇流处，面积为303平方公里。
1655年，哈尔科夫建成要塞。18世纪中叶，哈尔科夫发展成为俄国南部重要的手工业和贸易中心。19世纪后半叶，随着煤田的开发和铁路修筑，哈尔科夫工业发展很快。1918-1934，哈尔科夫成为乌克兰首都。
二战期间，哈尔科夫遭到严重破坏。战后，哈尔科夫市成为乌克兰交通枢纽，有多条铁路和公路交汇。哈尔科夫有乌克兰最古老的哈尔科夫国立综合大学，有历史博物馆、自然博物馆、天象仪馆、植物园、音乐厅、剧院等。
德军第6集团军司令为保卢斯上将。当时，第6集团军与克莱斯特集群（下辖第17集团军和第1装甲集团军）正在准备发动“腓特烈一世”进攻战役，想占领北顿涅茨河以西、哈尔科夫东南地区。
5月12日，苏军西南方面军发动了进攻，各部队3天内突破了德军防线：第28集团军自沃尔昌斯克向前进攻了18-25公里，苏军第6集团军和一个集团军级战役集群自巴尔文科沃向前进攻了25-50公里。
捷报频频传来，斯大林感到很高兴，并因此指责总参谋长沙波什尼科夫，说差点因为他的错误建议而取消了这次战役。
斯大林没有高兴太久。铁木辛哥被德军的情报所迷惑，直到5月17日才出动第21坦克军参战。
因苏军行动迟缓，德军立即从其他方向抽调部队顶住了苏军的攻势。德军还在巴尔文科沃的苏军第9集团军正面集中了强大的进攻部队。克莱斯特集群于5月17日发动了“腓特烈一世”进攻计划，14个师的德军突击了苏军部队。同时，德军从南北两侧反攻苏军第28集团军的两翼。
5月19日，南方面军在巴尔文科沃突出部被迫转入防御。23日，在巴拉克列亚以南一带，克莱斯特集群与德军第6集团军包围了南方面军第9、第57集团军、西南方面军的第6集团军和一个集团军级战役集群。
5月29日，德军将苏军第6、第9、第57集团军和集团军级战役集群主力歼灭。西南方面军副司令员科斯坚科中将、第57集团军司令波德拉斯中将、第9集团军司令戈罗德扬尼斯中将、战役集群司令博布金少将战死。
在哈尔科夫战役中，科斯坚科中将是牺牲人员中级别最高的。科斯坚科于1896年出生在罗斯托夫，早年在沙俄军队服役。1917年，他加入赤卫队，参加了十月革命。1918年，他参加了苏联军队。
1933年，科斯坚科在第4骑兵师中担任第19骑兵团团长。1939年，他出任基辅军区骑兵集群司令。1941年5月，他成为驻扎在里沃夫西部的苏军第26集团军司令。
苏德战争初期，科斯坚科幸运地在基辅战役中逃了出来。铁木辛格提拔他为西南方面军副司令员。1941年12月，在艾列斯一带，科斯坚科指挥第5骑兵军和第13集团军与德军展开激战。苏军打败了德军，因此他升任西南方面军司令员。
1942年1月，科斯坚科指挥了巴尔文科沃-卢佐瓦亚战役，苏军成功占领了巴尔文科沃突出部。此次战役的胜利，使科斯坚科升任西南方向副司令员。
在哈尔科夫战役中，在巴尔文科沃突出部，他指挥苏军南翼突击集团的作战。5月25日，科斯坚科率领苏军突围时不幸遇难。
苏联政府公开承认了哈尔科夫战役的失败，目的是为了争取英美两国尽快在欧洲开辟第二战场。
苏军被德军俘虏25万人，损失1249辆坦克、2026门火炮和迫击炮。苏军在哈尔科夫的惨败使西南局势急转直下。苏军失败的主要原因为：错误判断战略形势，指挥失误，投入主力过迟等。
哈尔科夫战役揭开了斯大林格勒会战的序幕。这次德军取得的胜利，使希特勒恢复了信心。
在南部战场，经过克里米亚战役和哈尔科夫战役后，苏军的士气受到严重影响。曼施坦因占领克里米亚后，希持勒认为目前德军应该向顿河、伏尔加河进军，去消灭那里的苏军残部，并进攻斯大林格勒。
希特勒草拟的第41号指令是一个庞大的计划，以至于将战略和战术问题混为一谈。该计划没有谈到苏军的兵力、部署和战略意图，德军的军事意图也有些混乱。
该指令规定的总目标是消灭苏联的军事力量，并瓦解苏联的军事潜力。事实上，“军事力量”一词的确切含义很难明确；军事工业中心的位置也很难确定，苏联在很多地方都建有兵工厂。
第41号指令的先期目标是：在占领高加索油田和高加索山脉中通往土耳其、伊朗的道路前，先消灭顿河以西的苏军。而关于到底进攻斯大林格勒，还是进攻伏尔加河地区，没有列入指令中。
起初，德军统帅部计划由博克的B集团军群负责主攻。B集团军群下辖3个集团军，其中有第4坦克集团军。B集团军群负责在库尔斯克地域突破苏军防线。接着，下辖两个坦克军的第4坦克集团军攻入突破口，并在沃罗涅日至顿河一带向右进攻。第4坦克集团军与第6集团军的坦克会师后，再从顿河沿岸向南推进。德军统帅部估计那时候会有很多苏军师被包围在罗斯托夫和沃罗涅日之间的顿河湾处。
在这次攻势中负责主攻的第4坦克集团军拥有800辆坦克和自行火炮，实力较强。其他的集团军同时进攻，保护第4坦克集团军的两翼和后方，重点保护薄弱的北翼。B集团军群正面的地形是一片起伏的开阔平原，有利于坦克战，坦克能高速机动作战。
铁木辛哥的方面军于1942年5月在哈尔科夫以南进攻失败以后，其实力已经削弱了。另外，苏军最高统帅部认为，德军将主攻莫斯科方向，并按照这样的判断部署了苏军的战略预备队。德军将于6月28日在库尔斯克和哈尔科夫之间突然进攻，这完全出乎苏军的预料。如果苏军的防线被突破，第4坦克集团军会涌入突破口，向顿河快速推进。
6月28日，B集团军群左翼霍特第4坦克集团军和第2集团军发动了大规模进攻，矛头直指顿河上游的沃罗涅日。德军与苏军经过激战过后，从伊久姆至库尔斯克整个正面突破了苏军防线，苏军且战且退。
6月30日，右翼保卢斯第6集团军从哈尔科夫东北发动了进攻，向东南推进，目标遥指斯大林格勒。
7月2日，霍特的第4坦克集团军的先头部队已经接近沃罗涅日了。这时，希特勒忽然发来了命令，下令不占领沃罗涅日。他要求霍特在得到第2集团军的接替后，快速向南沿顿河进攻斯大林格勒。
B集团军群司令博克主张占领沃罗涅日，以便歼灭沃罗涅日的苏军布良斯克方面军主力，这使希特勒十分生气，他撤消了博克的职务，由第2集团军司令魏克斯接任。第2集团军司令则由萨姆斯继任。
7月3日，第4坦克集团军的先头部队渡过顿河并攻克了沃罗涅日，这超出了希特勒的计划。对霍特来讲，阻止住先头部队进攻沃罗涅日，可不是一件容易的事情。这些德国军官行动快速而急进。当时，一个猛追苏军的德军坦克连长率领20辆坦克占领了一座桥梁，冲入沃罗涅日，随之赶来的是大量的坦克营、坦克团，最后是德军坦克师。于是，第4坦克集团军继续向顿河一带进攻。
值得注意的是，在此次战斗中，苏军并未采取死守的传统战术，而是主动撤离了罗斯托夫。因为斯大林向全军下达了采取灵活战术的新指示，即为了减少不必要的损失，部队可以撤退。在德军方面，希特勒却经常朝令夕改，并多次干预军事行动。可见，希特勒是多么地不信任军队。
在B集团军群南面的A集团军群于7月9日向高加索地区发起了进攻。A集团军群左翼的克莱斯特第1坦克集团军从哈尔科夫南面进攻顿涅兹河北岸。鲁奥夫的第17集团军从塔甘罗格北面出发，进攻伏罗希洛夫格勒。匈牙利第2军团和第4装甲军团负责突袭佛罗尼斯，早在7月5日就占领了该地。
A集团军群的第1坦克集团军从米列罗沃地域向东南进攻，月底已经到达新切尔卡斯克和齐姆良斯卡亚之间的顿河沿岸；Ａ集团军群其他集团军向北进攻，于7月14日在米列罗沃与Ｂ集团军群的一些部队建立了联系。
这时，希特勒竟突然放弃了对斯大林格勒的钳形攻势，引起了德军军官们的不满。当时，苏军已经呈现筋疲力尽的迹象，开始有计划地撤退。
希特勒误以为苏军到了崩溃的地步，他不想从去年秋季同样错误的观念中吸取教训。早在德国大本营从东普鲁士搬到波多里亚以前，他又一次干预了前线作战。那是在7月13日，他派第1和第4两个坦克集团军配合第17集团军进攻罗斯托夫方向。这影响了德军对斯大林格勒的进攻。希特勒认为，在顿河一带的第6集团军和第40装甲军的进攻下，溃退的苏军“主力”会被合围在顿河-顿涅茨河一带，苏军“主力”经过罗斯托夫向高加索溃退以前德军有能力将其歼灭，其主要依据是德国情报部门的报告。
7月13日这一天，斯大林在莫斯科召开了军事会议，会上决定把苏军撤到斯大林格勒、伏尔加河和高加索一带，目的是诱使德军再发动一次冬季攻势。
德军第17集团军在第1坦克集团军右面从斯大林诺地域发起进攻后，7月17日，第17集团军的左翼攻下了伏罗希洛夫格勒，其中央和右翼进攻顿河岸边的罗斯托夫两侧。
李斯特的A集团军群半个月向前推进了约500公里。苏军把保存实力看得比领土还要重要，使德军连一个小的合围圈都无法形成。德军继续正面追击，占领了北顿涅茨河与顿河之间的大片地区。希特勒看到德军无法歼灭他预想中的苏军有生力量，心情很不好。
苏军在如此辽阔领土上实施的拖延战术是正确的， A集团军群知道碰上了对手。这时，德军既要防守从沃罗涅日至斯大林格勒宽达600公里的战区，又要推进到斯大林格勒和伏尔加河，并向东南继续进攻。之后，德军又开进了350-750公里，进攻高加索地区，战线拉得越来越长了。
7月23日，李斯特的A集团军群进攻顿河下游。在齐姆良斯卡亚地域，第1坦克集团军的左翼部队与苏军展开了激战。苏军为防止德军从科捷利尼科沃-斯大林格勒铁路推进，组织了强大的防线。
李斯特的确想沿着那条铁路推进，但他的战线太长，无力分兵实施这样的军事行动。他做出调兵东进的假象，其实只是为了保障第1坦克集团军的左翼和后方。尽管是假象，A集团军群仍然强渡了顿河，并占领了罗斯托夫。计划中的“围歼战”没有出现，因为苏军早就撤往高加索地区了。
由于原计划有变，希特勒突然决定只派第6集团军单独进攻斯大林格勒。因为这时希特勒又想把主力用于征服高加索油田。德军军官们对希特勒这种朝令夕改的命令十分反感。
1942年7月，铁木辛哥担任斯大林格勒方面军司令，指挥斯大林格勒保卫战。10月，他改任西北方面军司令。
1943年2月，铁木辛哥指挥西北方面军摧毁了德军的杰米扬斯克登陆场。
从1943年3月起，铁木辛哥经常以最高统帅部代表的身份指挥各方面军的作战，领导了很多战役：1943年3月至6月，他负责协调列宁格勒方面军和沃尔霍夫方面军的作战；6月至11月，他负责协调北高加索方面军与黑海舰队的作战；1944年2月至6月，他负责协调波罗的海沿岸第1方面军和波罗的海沿岸第2方面军的作战。
1944年8月到战争结束，他负责协调第2乌克兰方面军、第3乌克兰方面军和第4乌克兰方面军的作战：在1944年8月的雅两-基什尼奥夫战役中，铁木辛哥协调第2乌克兰方面军和第3乌克兰方面军的作战。两个方面军有125万人、1.6万门大炮和迫击炮、1870辆坦克和自行火炮、2200架战机，歼灭了22个德国师，击溃大量罗马尼亚部队，罗马尼亚被迫退出战争。
战争结束后，铁木辛哥先后出任巴拉诺维奇军区司令、南乌拉尔军区司令、白俄罗斯军区司令、国防部总监组总监，他还当过老战士委员会主席等职务。他长期担任苏共中央委员和苏联最高苏维埃代表。他两次荣获“苏联英雄”称号，获得过很多勋章和奖章。他的著作有《伟大的功绩》和《由莫斯科向南挺进》。
1970年3月31日，铁木辛哥逝世于莫斯科。