Оставив в своем резерве в лесах западнее Старого Салтова 13-ю танковую бригаду, командующий 38-й армией генерал-майор Москаленко выделил на усиление своей правофланговой 226-й стрелковой дивизии 36-ю танковую бригаду, а на усиление находящейся слева от нее 124-й стрелковой дивизии - 133-ю танковую бригаду. Первой противостояла в селе Непокрытая на западном берегу Бабки боевая группа Винклера - 2 батальона 514-го пехотного полка 294-й пехотной дивизии, а 124-й стрелковой дивизии в селе Песчаное на западном берегу Бабки противостояла боевая группа капитана Река (3-й батальон 530-го пехотного полка 299-й пехотной дивизии, усиленный 6-й ротой 530-го пехотного полка, взводом саперов и 5 37-мм орудиями ПТО), которая также подчинялась штабу 294-й пехотной дивизии. Не имевшей танковой поддержки 81-й стрелковой дивизии в селе Большая Бабка, как и соседней слева 300-й стрелковой дивизии, противостоял левофланговый 524-й пехотный полк немецкой 297-й пехотной дивизии.
Воспользовавшись тем, что немецкие позиции располагались дальше западного берега Бабки, в ночь на 11 мая и в ночь на 12 мая 516-й инженерный батальон переоборудовал под танковую переправу брод через речку Большая Бабка напротив села Федоровка, для чего устелил дно реки бревнами. В эти же 2 ночи 225-й саперный батальон 124-й стрелковой дивизии навел переправу через Бабку юго-восточнее Песчаного, также усилив бревнами дно реки.
Днем 11 мая в частях проводилась подготовка к грядущему наступления, производилась рекогносцировка местности и переправ через Бабку, а с 2.00 до 5.00 12 мая стрелковые полки 1-го эшелона форсировали Бабку и заняли исходные позиции на ее западном берегу у небольших рощ к западу от Октябрьского и Федоровки. Одновременно с этим к 4.00 36-я танковая бригада вышла на исходные позиции на восточном берегу Бабки в Октябрьском и Федоровке, где с 4.00 подверглась сильному артминометному обстрелу со стороны противника, в результате чего еще до вступления в бой потеряла 2 танка, 2 орудия ПТО поврежденными и 16 человек личного состава (3 - убитыми, 13 - ранеными).
В 6.00 12 мая началась артподготовка, которая продолжалась до 7.30, после чего войска 38-й армии перешли в наступление. 124-я стрелковая дивизия, согласно своему журналу боевых действий, атаковала на полчаса раньше основных сил армии, в 7.00.
Под прикрытием артподготовки танки 1-го эшелона 36-й танковой бригады выдвинулись из Федоровки и Октябрьского непосредственно к переправе. Всего немцы насчитали здесь к 6.55 14 танков. С 7.20 все 14 танков подошли к мосту, под огнем немецкой артиллерии перешли по нему Бабку, после чего в 7.40 10 танков из 14 атаковало немецкие позиции в квадратной роще к востоку от высоты 199,0.
На острие наступления действовали наиболее бронированные танки «Матильда» во главе с командиром 1-го танкового батальона капитаном Михаилом Шестаковым. Быстро прорвав немецкие позиции в квадратной роще, все те же 10 танков в 8.00 ворвались на высоту 199,0 к востоку от Непокрытой, откуда двинулись дальше в западном направлении на Непокрытую, а 5 минут спустя через эту высоту на запад прошло еще 6 танков 2-го эшелона. Под влиянием танкового прорыва пехотинцы на левом фланге боевой группы Винклера начали отходить со своих позиций, после чего для закрытия образовавшего прорыва немцы перебросили сюда саперную роту. Долго она здесь не удержалась, и в 8.45 наступавший следом за танками 987-й стрелковый полк занял высоту 199,0, где на некоторое время закрепился в захваченных немецких траншеях.
Левее 987-го полка, 989-й стрелковый полк следом за 2-м танковым батальоном 36-й танковой бригады к 9.00 ударом с севера и с юга занял высоту 173,2 к югу от высоты 199,0, после чего, встречая перед собой лишь мелкие группы противника, двинулся к юго-восточной окраине Непокрытой. В это же время вырвавшиеся вперед 2 танка 2-го танкового батальона перешли речку Олего и двинулись в направлении высоты 179,1 у западной окраины Непокрытой.
Вышедшие с северо-востока к Непокрытой «Матильды» 1-го танкового батальона завязали перестрелку с находящейся в селе немецкой артиллерией и частью сил ворвались в село. В ходе последовавшей затем дуэли к 9 часам немецкой артиллерии удалось подбить 6 танков, однако оборонявшаяся в селе немецкая пехота из-за прорыва в село танков стала поддаваться панике и постепенно начала отходить в западном направлении, тем самым ослабляя оборону Непокрытой. Наиболее отличился в эти первые часы боя экипаж «Матильды» лейтенанта Павла Фурсова, в котором находился командир батальона капитан Шестаков. В Непокрытой танк сначала раздавил 1 орудие ПТО и 1 ДЗОТ, затем через речку Непокрытая прорвался на западную окраину села, где оказался в расположении 150-мм батареи противника. Танк раздавил 4 150-мм орудия, однако 5-м орудием с дистанции в 150 метров был подбит и подожжен. Механик-водитель старший сержант Поликарп Перепелица пытался вывести горящую машину из Непокрытой и сгорел вместе с танком. Выскочивший из горящего танка с пистолетом в руках капитан Шестаков был убит немцами. Посмертно оба они получили звание Героя Советского Союза. Командир танка лейтенант Фурсов был смертельно ранен и в тот же день умер от ран.
Экипаж соседнего танка - лейтенанта Василия Глухова - успел подавить огонь противотанковой батареи, после чего танк был подбит, механик-водитель и заряжающий ранены, однако командир танка лейтенант Глухов в одиночку продолжал вести бой, за что позже был награжден орденом Красной Звезды.
В действовавшем южнее 2-м танковом батальоне наиболее отличился экипаж танка комиссара роты политрука Ивана Камкина, который уничтожил 22 пехотинца, прислугу 2 пушек и 2 ручных пулемета. Когда танк подбили, экипаж встал к немецкой пушке, развернул ее и открыл огонь по немцам, за что Камкин был награжден орденом Красной Звезды. Расчеты еще 2 орудий ПТО уничтожил экипаж танка лейтенанта Евгения Федосеева, а экипаж танка комиссара роты 2-го танкового батальона старшего политрука Александра Кукушкина уничтожил 26 немцев и 2 орудия ПТО.
Вместе с танкистами действовала рота автоматчиков лейтенанта Сергея Голомидова из 36-го мотострелкового батальона, которая в начале 10-го часа следом за танками ворвалась в Непокрытую и приблизилась к позициям немецкой артиллерии, после чего та была вынуждена открыть огонь прямой наводкой как по танкам, так и по прорвавшимся автоматчикам. Встретив сильное сопротивление со стороны артиллеристов, автоматчики стали обходить их справа, заходя им в тыл. Гораздо позже подошли и также включились в уличный бой в Непокрытой пехотинцы 226-й стрелковой дивизии. В 10.20 подошедшие с высоты 199,0 2 батальона 987-го стрелкового полка прорвались в северо-восточную часть Непокрытой, а 40 минут спустя в юго-восточную часть села прорвался 989-й стрелковый полк. К 12 часам бой переместился в центральную часть Непокрытой. К этому времени немцами было подбито уже 12 танков из состава 36-й танковой бригады - главным образом танки 1-го эшелона, однако введенные в бой танки 2-го эшелона компенсировали эти потери, и уличный бой в Непокрытой продолжался с неослабевающей силой.
В то время как наступление 226-й стрелковой дивизии и 36-й танковой бригады развивалось вполне успешно, соседней слева 124-й стрелковой дивизии пришлось гораздо хуже. К 8.10 406-й и 781-й стрелковые полки форсировали Бабку и атаковали высоту 175,1 к югу от Песчаного и само село Песчаное, однако ни высоту, ни само село взять им с ходу не удалось. Поддерживавшая дивизию 133-я танковая бригада выслала вперед разведку в составе 3 танков Т-34, которая в 8.20 установила, что наведенная саперами 124-й дивизии переправа через Бабку к югу от Песчаного непригодна для переправы танков. Судя по немецким документам, тем 3 танкам все же удалось форсировать Бабку, и около 8.45 они появились в лощине южнее высоты 175,1, где завязли в болотистой местности и остались стоять на месте в ожидании эвакуации.
После провала переправы к югу Песчаного в 9.26 12 танков 133-й танковой бригады атаковали на Песчаное с востока и попытались поддержать наступление своей пехоты огнем с места с восточного берега реки. Особого эффекта эта атака на исход боя не оказала, а потому вскоре командир 22-го танкового корпуса полковник Шамшин решил перебросить 133-ю танковую бригаду в полосу наступления 226-й стрелковой дивизии, переправить ее через Бабку у Федоровки, а затем нанести удар через южную часть Непокрытой вдоль дороги на высоты 208,3 и 211,9 к востоку от деревень Червона Роганка и Лебединка. Тем самым танкисты должны были избежать лобовой атаки Песчаного с севера через заболоченную речку Олего, а обойти село по дороге с запада, после чего повернуть на высоту 218,4 и выйти в глубокий тыл боевой группы Река.
План был вполне хорош, однако командир 133-й бригады полковник Поляков на некоторое время потерял управление своими батальонами и не смог вовремя провести передислокацию. Только с 12.00 133-я танковая бригада начала переправляться через Бабку в районе Федоровки, после чего ее 2-й танковый батальон выдвинулся через Непокрытую на высоту 208,3, ну а 1-й танковый батальон вопреки указаниям Шамшина атаковал Песчаное в лоб с севера.
К этому времени, к середине дня 124-я стрелковая дивизия, действуя практически без танковой поддержки, продолжала топтаться перед Песчаным на захваченных ею плацдармах к югу и к северу от села. В ходе упорных боев в 11.55 406-й и 781-й стрелковые полки заняли высоту 175,1 к югу от Песчаного и отметку 180 между Песчаным и высотой 173,2 к северу от этого села. По некоторым данным, во взятии высоты 175,1 участвовал и введенный в бой на левом фланге 124-й стрелковой дивизии мотострелковый батальон 133-й танковой бригады.
Вышедшие к северу от Песчаного на отметку 180 танки 1-го танкового батальона 133-й танковой бригады открыли с места огонь по оставшимся в Песчаном огневым точкам противника, а 2-й танковый батальон двинулся через Непокрытую к высоте 208,3. К этому времени все находившиеся у немцев в Песчаном 5 37-мм орудий были уже потеряны, а потому танки 133-й бригады подвергались лишь обстрелу дальнобойной немецкой артиллерией, которая оказалась неэффективной и ни один танк подбить не смогла. Однако, несмотря на отсутствие у немцев противотанковой обороны, прорываться в само Песчаное танки не пытались, т.к. на их пути находилась речка Олего.
В это время 2-й танковый батальон завершил обходной маневр и вышел к высоте 208,3, откуда атаковал Песчаное с запада. Выход советских танков в тыл решил исход боя за это село, после чего к 13.20 полуокруженная в Песчаном боевая группа Река стала отходить из Песчаного в юго-западном направлении через леса к селу Приволье. Обойдя Песчаное с 2 сторон, в 14.00 124-я стрелковая дивизия блокировала это село, а в 16.00 завершила его освобождение. Для развития успеха в бой был введен из 2-го эшелона 622-й стрелковый полк, и в 17.00 124-я стрелковая дивизия вышла на высоты 186,3 и 193,1 у западной и юго-западной окраин Песчаного. Пройдя еще до 4 километров в южном направлении, к исходу дня 622-й и 781-й стрелковые полки заняли юго-восточную опушку рощи к юго-западу от Песчаного, где и закрепились на ночь.
В Непокрытой все это время продолжался уличный бой, медленно сдвигавшийся в западном направлении. К 14 часам, поддерживаемый танкистами 36-й танковой бригады, 989-й стрелковый полк занял южную часть села, а 987-й стрелковый полк вышел на западную окраину. Большая часть оборонявшейся в Непокрытой пехоты 514-го пехотного полка к этому времени оставила село и отошла в западном направлении. Отходящие немецкие солдаты перехватывались своими офицерами, частью посылались обратно в Непокрытую, а большей частью ставились в оборону на восточной опушке рощи к западу от Непокрытой, образуя собой 2-й рубеж обороны на пути наступления 226-й стрелковой дивизии.
В особо тяжелом положении оказалась находившаяся в Непокрытой немецкая артиллерия. К 13.50 5-я батарея 294-го артполка, расстреляв все снаряды, из-за отсутствия возможности эвакуации и под угрозой захвата орудий советскими войсками вынуждена была взорвать свои гаубицы. В 14.20 из-за правого фланга 987-го стрелкового полка в бой был брошен из 2-го эшелона 985-й стрелковый полк, который с 14.30 завязал бой на западной окраине Непокрытой. Ввод в бой за Непокрытую 3-го по счету стрелкового полка перевесил чашу весов. До 14.50, расстреляв снаряды, сначала взорвал свои 2 зенитных орудия находившийся в центре Непокрытой взвод 4-й батареи 47-го зенитного полка, а затем подорвали свои гаубицы еще 2 батареи 294-го артполка. Последние немецкие орудия на высоте 179,1 в юго-западной части Непокрытой уничтожил экипаж танка лейтенанта Виктора Филипковского из 1-го танкового батальона 36-й танковой бригады. Расчеты орудий были частью перебиты, а частью разбежались. Сам Филипковский в этом бою был тяжело ранен.
Бой еще продолжался на западной окраине Непокрытой, когда в 16.00 под Непокрытую был переброшен 36-й мотострелковый батальон, который во главе со своим командиром майором Сергеем Стародубцевым ворвался с юго-запада в Непокрытую, где на окраине села захватил 8 орудий 2 последних гаубичных батарей 294-го артполка. Вслед за этим, не выдержав натиска 3 стрелковых полков 226-й стрелковой дивизии, мотострелкового и 2 танковых батальонов 36-й танковой бригады, к 16.17 остатки немецких подразделений на западной окраине Непокрытой стали отходить в рощу к западу от Непокрытой на 2-й рубеж обороны. Оборону здесь все так же возглавлял полковник Винклер. Помимо остатков 2 разбитых батальонов 514-го пехотного полка в оборону были поставлены саперные роты и артиллеристы 294-го артполка, лишившиеся своих орудий.
Сборная боевая группа Винклера обновленного состава была теперь более малочисленной, чем к началу наступления, потеряла большую часть артиллерии и тяжелого вооружения, позиции были необорудованы, а сводные подразделения оказались слабо сколоченными и менее боеспособными вследствие длительного тяжелого боя, понесенных потерь и отступления. Все это позволяло с ходу прорвать новую линию обороны боевой группы Винклера, однако пехотинцы 226-й дивизии не стали развивать свое наступление, а закрепились в Непокрытой и не двинулись дальше в западном направлении. Не имея поддержки пехоты, приостановили свое продвижение вперед и танки 36-й танковой бригады.
На основании сложившейся ситуации в 17.00 командующий 38-й армией генерал-майор Москаленко приказал 133-й танковой бригаде ударить по маршруту: высота 199,0 - высота 194,5 в 2 км к северу от Непокрытой - Михайловка - Червона Роганка - высота 218,4 в 5 км к востоку от Сороковки. Этим маневром танки 133-й бригады должны были обойти позиции боевой группы Винклера с севера, зайти к ней в тыл и тем самым обеспечить продвижение вперед 226-й стрелковой дивизии.
Передача приказа нижестоящим командирам и переброска танков 133-й танковой бригады от Песчаного на высоту 199,0 к востоку от Непокрытой растянулась на час, а в это время по приказу полковника Танасчишина мотострелковый батальон майора Стародубцева при поддержке танков 36-й танковой бригады атаковал из Непокрытой позиции боевой группы Винклера в лоб и завязал лесной бой в рощах к западу от Непокрытой. Позже к мотострелкам присоединился и подошедший из Непокрытой 985-й стрелковый полк.
В 18.07 30 танков 133-й танковой бригады показались на высоте 199,0, откуда 25 танков в 18.30 двинулись в северо-западном направлении на высоту 194,5. Примечательно, что танки действовали без какой-либо пехотной поддержки. 133-й мотострелковый батальон остался в обороне высоты 175,1 на левом фланге 124-й стрелковой дивизии, собственно 124-я стрелковая дивизия продолжала действовать под Песчаным, а 226-я стрелковая дивизия оставалась непосредственно под Непокрытой и никаких пехотных подразделений на усиление танкистов 133-й бригады не выделяла.
В 19.05, по подсчетам немцев, 16 танков 133-й танковой бригады появились к юго-востоку от высоты 214,3 (2,5 км восточнее с. Петровское), откуда они двинулись по дороге дальше в сторону деревни Михайловка 1-я, однако в районе высоты 214,3 столкнулись с крупными силами немецкой пехоты. Всего танкисты насчитали здесь до полка пехоты. Это были отошедшие из-под Купьевахи остатки 3-го батальона 164-го пехотного полка 57-й пехотной дивизии в составе примерно 100 человек личного состава и отошедший из Перемоги относительно боеспособный 1-й батальон 211-го пехотного полка 71-й пехотной дивизии, который окопался к востоку от Петровского. Именно этот батальон в основном и подвергся удару прорвавшихся танков 133-й танковой бригады.
Немцы не успели еще толком окопаться и не имели никакого противотанкового вооружения, а потому за короткое время 1-й батальон 211-го пехотного полка потерпел самый настоящий разгром, не причинив советским танкистам никаких потерь. Танки проутюжили немецкие окопы, раздавили множество пехотинцев и несколько имевшихся в батальоне пулеметов, после чего остатки немецкого батальона, оставив высоту 214,3, откатились обратно в село Петровское. Всего здесь собралось 158 немецких пехотинцев из числа разбитых к востоку от Петровского 2 немецких пехотных батальонов.
В это время к востоку от Петровского прибыли и заняли огневые позиции первые орудия 1-го дивизиона 171-го артполка 71-й пехотной дивизии, которые тут же обстреляли вышедшие на высоту 214,3 танки 133-й танковой бригады и сожгли 2 танка БТ-7 в районе отметки 2,0, что в 1 км к югу от высоты 214,3. Оба танка остались стоять на поле боя и позже были эвакуированы на армейский СПАМ 90-й танковой бригадой, которая заняла эту территорию 13 мая.
Потеряв 2 танка БТ-7, оставшиеся танки 133-й танковой бригады продвинулись от отметки +2,0 еще 1 километр в юго-западном направлении, вышли к высоте 212,3, где и приостановили свое дальнейшее продвижение вперед из-за отсутствия горючего. Всего к исходу дня немцы насчитали возле высоты 212,3 16 танков из состава 133-й танковой бригады. Из-за дефицита горючего и отсутствия пехотной поддержки с наступлением темноты все они отошли с высоты 212,3 дальше к востоку, укрывшись на ночь в роще к северу от Непокрытой.
В рощах к западу от Непокрытой весь вечер продолжался бой остатков боевой группы Винклера против атакующих их 985-го стрелкового полка 226-й стрелковой дивизии, мотострелкового батальона и танков 36-й танковой бригады. В конце концов, боевая группа Винклера не выдержала этих атак и, подорвав склады боеприпасов на опушке леса, отошла на запад в Михайловку 1-ю. Вполне возможно, что исход боя решило появление танков 133-й танковой бригады на левом фланге боевой группы Винклера.
Переброшенные на это направление для занятия обороны в рощах к западу от Непокрытой 2-й и 3-й батальоны 211-го пехотного полка 71-й пехотной дивизии подоспели уже к шапочному разбору. Обнаружив, что рощи между Непокрытой и Михайловкой 1-й заняты советскими войсками, оба батальона отошли от западных опушек и окопались вдоль полевой дороги перед западными опушками. Прочесав рощу к востоку от Михайловки 1-й, к исходу дня 985-й стрелковый полк вышел и закрепился на ее западной опушке, выставив боевое охранение на кургане с отметкой +2,3 в 1 км к востоку от Михайловки 1-й. Позади него в роще сосредоточились главные силы 36-й танковой бригады, в которой к исходу дня все еще осталось в строю 29 танков (6 Mk.II, 13 Mk.III, 10 Т-60). Наступавший южнее 989-й стрелковый полк к исходу дня вышел на западную опушку рощи южнее высоты 213,2.
По итогу наступления 12 мая 226-я стрелковая дивизия при поддержке 36-й танковой бригады, прорвав все линии обороны боевой группы Винклера (2 батальона 514-го пехотного полка) и полностью разгромив ее, продвинулась на 9 километров в западном направлении, освободив при этом село Непокрытая. В ходе наступления, а также последующей затем зачистки и подсчета трофеев в течение дня 12 мая и утром 13 мая было захвачено 125 пленных, 28 орудий (в т.ч. 15 тяжелых), 20 минометов, 45 пулеметов, а также склады боеприпасов и продовольствия. Потери самой 226-й стрелковой дивизии 12 мая составили до 500 человек убитыми и ранеными. Официальные потери 36-й танковой бригады 12 мая составили 50 человек личного состава (10 - убитыми, 40 - ранеными) и 16 танков (4 Mk.II, 6 Mk.III, 6 Т-60), в т.ч. 2 Mk.II сгорели вместе с экипажами и вышли в безвозвратные потери, а 7 танков (4 Mk.III, 3 Т-60) не подлежали войсковому ремонту и требовали отправки на капитальный ремонт. Есть также неподтвержденные данные, что потери бригады в личном составе 12 мая составили 80 человек.
124-я стрелковая дивизия при поддержке 133-й танковой бригады 12 мая успешно прорвала оборону боевой группы Река (усиленный 3-й батальон 530-го пехотного полка), полностью разгромила ее, освободила село Песчаное и с боями продвинулась до 5,5 километров в западном направлении. За день дивизия захватила 2 мотоцикла, 1 орудие ПТО, 1 миномет, 4 ручных пулемета, а 133-я танковая бригада вдобавок к этому разгромила 1-й батальон 211-го пехотного полка к востоку от Петровского, уничтожила 6 орудий (1 105-мм, 5 ПТО), 2 станковых пулемета, 2 ДЗОТа, захватила 1 миномет, а также в 14.00 в районе Молодового силами расчета 37-мм зенитного орудия сержанта Владимира Хасиева сбила истребитель Bf 109F. Самолет упал и разбился в 400 метрах от зенитной батареи, летчик упал вместе с самолетом и погиб. Хасиева за сбитый самолет наградили орденом Красной Звезды.
За день 12 мая 124-я стрелковая дивизия только ранеными потеряла 194 человека личного состава, а 133-я танковая бригада потеряла 10 человек личного состава (3 - убитыми, 7 - ранеными) и 5 танков: 3 Т-34 - застрявшими в болоте, 2 БТ-7 - сгоревшими. Все застрявшие танки Т-34 к утру 13 мая были вытянуты из болота и вернулись в строй, а танки БТ-7 были эвакуированы на армейский СПАМ 90-й танковой бригадой. В целом потери обоих танковых бригад были сравнительно небольшими и составили 21 танк (3 Т-34, 4 Mk.II, 6 Mk.III, 6 Т-60, 2 БТ-7), в т.ч. 4 танка (2 Mk.II, 2 БТ-7) - сгоревшими (т.е. безвозвратные потери).
Наступавшие южнее главной группировки 38-й армии, 81-я и 300-я стрелковые дивизии действовали без какой-либо танковой поддержки, но и они смогли добиться определенных успехов в наступлении. Атаковавший с севера на село Большая Бабка 202-й стрелковый полк 81-й дивизии за день овладел северной частью этого села и вышел на восточную, западную и южную окраины Большой Бабки. Введенный в бой из резерва командующего армией в 10.00 из-за правого фланга 202-го полка 53-й стрелковый полк частью сил продвинулся от реки Бабка до 6 километров в западном направлении и вышел на высоту 206,2, тем самым выйдя на уровень соседней справа 124-й стрелковой дивизии и прикрыв ее левый фланг. За день 81-я стрелковая дивизия захватила 7 пленных. Потери ее 53-го и 202-го стрелковых полков, по уточненным данным, составили 127 человек убитыми и ранеными. Еще южнее нее 300-я стрелковая дивизия, форсировав речку Бабка, вышла в леса к югу от Большой Бабки, где увязла в лесных боях, потеряв за первые 2 дня наступления, по неполным данным, 160 человек убитыми и ранеными. Общие потери противостоявшего им здесь 524-го пехотного полка 297-й пехотной дивизии 12 мая составили до 85 человек убитыми и ранеными.