Войска перешли в наступление 18 января. Вначале оно развивалось успешно, но очень скоро обстановка усложнилась. За первые четыре дня соединения продвинулись лишь на 25 км. В Ставку стали поступать донесения о непредвиденных трудностях и больших потерях. Тем не менее главное командование юго-западного направления предлагало продолжать наступление. Ставка ВГК одобрила это решение и вновь уочнила задачу, приказав разбить противостоящего противника, захватить правый берег Днепра и овладеть Мариуполем. Для наращивания усилий войска дополнительно получили из резерва Ставки четыре стрелковые бригады и 315 танков. Советским войскам к концу января удалось прорваться на подступы к Лозовой и Краматорску. Был образован так называемый барвенковский плацдарм шириной до 110 км и глубиной 90 км. Но предпринимавшиеся в феврале — марте попытки расширить его и развить успех окончились неудачно. Наступление пришлось приостановить.
На южном направлении готовившееся наступление с керченского плацдарма было сорвано упреждающим контрударом противника, который вновь захватил Феодосию. Для улучшения управления войсками на этом направлении Ставка в конце января разделила Кавказский фронт на Крымский фронт и Закавказский военный округ. При этом Крымский фронт получил задачу подготовить операцию с целью оказания помощи войскам Севастопольского оборонительного района, а Закавказский военный округ — оборонять Черноморское побережье.
Операция Крымского фронта готовилась в течение целого месяца. Лишь 27 февраля войска перешли в наступление, однако успеха не добились. Многократные попытки фронта в марте и апреле 1942 г. прорвать оборону противника провалились. В конце апреля войска перешли к обороне и начали подготовку к новой операции.
В целом в ходе зимней кампании 1941–1942 г. Красная Армия нанесла противнику ряд поражений. Фронт стратегического наступления был расширен с 1200 до 2000 км. Ставка ВГК в этой кампании с учетом обстановки уточняла задачи фронтов, наращивала их усилия, формировала крупные резервы; анализировала и обобщала опыт проведенных операций. Но имевшиеся возможности для разгрома врага не были использованы. Все запланированные на зиму 1942 г. операции остались незавершенными. Не были решены поставленные фронтам задачи. Не смогли они, в частности, ликвидировать окруженные немецкие группировки под Оленино (семь дивизий) и Демянском (шесть дивизий). Более того, некоторые советские армии сами оказались в трудном положении. Так, значительная часть войск 29-й и 33-й армий была окружена, а затем разгромлена под Ржевом и Вязьмой. К концу зимы попали в полуокружение или были окружены 2-я ударная армия под Любанью, 39-я армия и 11-й кавалерийский корпус западнее Сычевки, группа Белова и 4-й воздушно-десантный корпус южнее и юго-западнее Вязьмы, 6, 9 и 57-я армии — в барвенковском выступе. А на Керченском полуострове 44, 47 и 51-я армии, развернутые в наступательной группировке на узком Ак-Монайском перешейке, не имели в своем тылу подготовленных оборонительных позиций. К середине апреля 1942 г. с таким трудом созданные еще осенью и в начале зимы резервы были распылены и израсходованы. Фронты понесли крупные потери. С декабря 1941 г. по апрель 1942 г. безвозвратные потери действующей армии составили 1 млн 249 тыс. человек, а санитарные — около 1 млн 603 тыс. человек