В ходе операции «Полководец Румянцев» была поставлена задача окружения и уничтожения Харьковской группировки противника с целью недопущения их выхода за Днепр.

Охват Харькова войска продолжали через Богодухов и Ахтырку. Одновременно части Южного и Юго-Западного фронтов развернули наступательные действия на Донбассе, продвигаясь навстречу Воронежскому фронту. Это не позволяло немцам перебросить под Харьков подкрепления и 10 августа была взята под контроль железная дорога Харьков — Полтава.

К 11 августа 53-я, 69-я и 7-я армии Степного фронта вплотную подошли к внешнему харьковскому оборонительному обводу, а 57-я армия, форсировав Северский Донец, 11 августа овладела Чугуевом и с востока и юго-востока вышла на подступы к Харькову. В это время войска Воронежского фронта продвинулись еще дальше на юг и юго-запад, создавая возможность глубокого охвата немецкой группировки в районе Харькова. Немецкое командование также осознавало особое значение обороны Харьковского промышленного района и Гитлер требовал от группы армий «Юг» удерживать Харьков при любых обстоятельствах.

Войска Степного фронта 13 августа, преодолев упорное сопротивление противника, прорывают внешний оборонительный обвод, находившийся в 8–14 км от Харькова, и к исходу 17 августа завязывают бои на северной окраине города. Войска 53-й армии 18 августа начали бои за лесной массив на северо-западной окраине города и 19 августа выбивают немцев оттуда.

18 августа возобновила наступление 57-я армия Юго-Западного фронта, совершая охват Харькова с юга. Для усиления этого направления 20 августа в этот район были переброшены два корпуса 5-й танковой армии.

Подготовив оборонительные позиции по реке Уды, немцы поздним вечером 22 августа начали плановый отвод войск из Харькова, подрывая и сжигая все, что не могли вывезти.

23 августа в 2 часа ночи начался ночной штурм Харькова. В город вошли соединения 53-й, 69-й, а затем 7-й гвардейской армии. В 4:30 183-я дивизия заняла площадь Дзержинского, и к рассвету город, в основном, был освобождён. Войска Степного фронта ворвались 23 августа в свободный от противника город, заняв северную, восточную и центральную части города.

23 августа Москва торжественно салютовала воинам-освободителям Харькова. 

Из миллионного населения Харькова к моменту освобождения уцелели только 190 тысяч человек. Выжившие с ликованием обнимали и целовали долгожданных освободителей.