Тем временем и 25-я гвардейская стрелковая дивизия продвинулась в западном направлении на 5 км и овладела населенным пунктом Мастюгино.
Между действовавшими левее 340-й и 107-й стрелковыми дивизиями, которые наступали в юго-западном направлении, вступила в бой 305-я стрелковая дивизия под командованием полковника И. А. Даниловича. Она оказалась, таким образом, на направлении главного удара армии, где обозначился наибольший успех. Части этой дивизии действовали умело и способствовали его дальнейшему развитию. К исходу дня они продвинулись на 5 км и вышли ко второй полосе обороны противника в районе населенного пункта Прилеп. 107-я стрелковая дивизия к югу от этого района овладела населенными пунктами Солдатское, Песковатка, Калинин, а также господствующим берегом реки Потудань.
Таким образом, за два дня наступления армия расширила прорыв до 50 км по фронту и углубила его до 17 км, выйдя ко второй полосе обороны противника. Так как захватить ее с ходу не удалось, дальнейшие атаки были перенесены на следующее утро.
Начавшееся наступление советских войск, как свидетельствует ряд документов, явилось полной неожиданностью для германского командования. «Мы думали, что это наступление небольшого масштаба, с целью улучшения позиций и чтобы расширить прорыв итальянского фронта. Полагали, что это наступление будет только на юге. Удара севернее не ожидали. К моменту пленения это была дезорганизованная масса пехотинцев и артиллеристов. Из всего корпуса осталось до 3 тыс. человек, остальные разошлись мелкими группами неизвестно куда», — показал взятый в плен начальник артиллерии 3-го венгерского корпуса генерал Деже, который в довоенные годы в течение четырех лет был военным атташе в Москве.
Развитие наступления и окружение острогожско-россошанской группировки. 14 января в наступление перешли остальные силы фронта, а также 6-я армия Юго-Западного фронта под командованием генерал-лейтенанта Ф. М. Харитонова. Но на направлениях их ударов немцы оказали сильное сопротивление. Так, 184-я стрелковая дивизия 3-й танковой армии осталась без приданных ей танков, которые при выдвижении на исходные позиции застряли в занесенном сугробами овраге, понесла большие потери и была остановлена перед передним краем вражеской обороны. Столь же безуспешно атаковали противника и соседние дивизии. После трехчасового боя соединения армии вклинились в главную полосу обороны только на 1–3 км. Когда командующий 3-й танковой армией генерал П. С. Рыбалко ввел в сражение части 12-го и 15-го танковых корпусов, обстановка резко изменилась. К исходу дня корпуса продвинулись на глубину до 25 км, разгромив в районе Жилина штаб 24-го немецкого танкового корпуса. Продвижению танковых соединений способствовало наступление 6-й армии Юго-Западного фронта. В результате его германское командование не только не смогло перегруппировать свои резервы с юга к участку прорыва танковой армии, но и вынуждено было ввести в бой против 6-й армии генерала Ф. М. Харитонова резервные 27-ю танковую и 320-ю пехотную дивизии.
Не менее сложно прорывалась оборона и в полосе наступления 18-го отдельного стрелкового корпуса. Не только из-за глубокого снега, но и вследствие плохой организации взаимодействия, артиллерийские орудия сопровождения, а частично и танки непосредственной поддержки, отстали от пехоты. К исходу дня корпус так и не выполнил поставленной задачи. Утром на этом направлении в сражение были введены 26-я пехотная немецкая и 1-я танковая венгерская дивизии (20 Pz.Kpfw.IV.Ausf.F1, Pz.Kpfw.38(t), 19 легких танков «Toldi I/IIа», 18 бронеавтомобилей «Csaba»). Эти оперативные резервы на три дня задержали части корпуса перед второй полосой обороны.
15 января наиболее успешно действовали 141-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада 40-й армии. Они продвинулись еще на 10 км, достигли рубежа Маслов Лог — Яблочное и создали реальную угрозу выхода на тылы 2-й немецкой армии в районе Воронежа. В результате этого германское командование спешно начало снимать свои дивизии, располагавшиеся вдоль Дона, намереваясь бросить их против наступающих войск 40-й армии.
25-я гвардейская и 305-я стрелковые дивизии прорвали вторую полосу обороны противника в направлении населенных пунктов Репьевка, Красное, продвинулись на 20 км и овладели рубежом Скорицкое — Фабрицкое — Комсомолец — Свистовка — Богословка. Противник в беспорядке отступал, бросая вооружение и технику. Только одной 25-й гвардейской стрелковой дивизии в этот день сдались в плен 620 солдат и офицеров венгерских частей. Дивизия также захватила 75 орудий разного калибра, 120 тракторов, 37 автомашин, 49 пулеметов, 37 минометов, 1123 винтовки, 120 повозок, 54 противотанковых ружья и три склада.
В этот день самое сильное сопротивление противник оказывал на участке 107-й стрелковой дивизии. Вследствие этого она продвигалась медленнее, чем в предшествующие дни. Для усиления натиска в юго-западном направлении генерал К. С. Москаленко перебросил сюда и 340-ю стрелковую дивизию, оставив прикрытие на ее прежнем участке. К концу дня части этой дивизии освободили населенный пункт Терновая. По-прежнему действовавшая совместно с ними 150-я танковая бригада одновременно прорвалась через боевые порядки противника и овладела деревней Лесное Уколово.
К исходу 15 января войсками армии была прорвана оборона противника на всю тактическую глубину. На правом фланге войска армии продвинулись вперед на 20 км, на левом — на 16, в центре — на 35. Тем самым были созданы условия для развития наступления на окружение и расчленение группировки противника во взаимодействии с 18-м стрелковым корпусом и 3-й танковой армией. Оперативная обстановка для решения этой задачи была вполне благоприятной, ибо все свои резервы германское командование ввело в сражение, а подготовленных в глубине оборонительных рубежей на этих направлениях оно не имело. Используя преимущества обстановки, 107-я стрелковая дивизия 17 января прорвалась к Острогожску, где, соединившись с частями 18-го стрелкового корпуса, окружила 10-ю венгерскую пехотную дивизию. Одновременно 88-я танковая бригада 15-го танкового корпуса 3-й танковой армии под командованием полковника И. И. Сергеева, не ввязываясь в затяжные бои за отдельные опорные пункты и узлы сопротивления, в 18.00 17 января ворвалась в Алексеевку. Через день с ней установила огневую связь 309-я стрелковая дивизия полковника А. П. Крутихина. В окружение попали части 8-й итальянской армии, 7-го венгерского армейского и 24-го немецкого танкового корпусов.
В это же время 12-й танковый корпус устремился на город Россошь. В завязавшихся уличных боях личный состав 106-й танковой бригады полковника И. Е. Алексеева действовал дерзко, стремительно и мужественно. Танковый взвод лейтенанта Д. С. Фоломеева, высланный для ведения разведки, разгромил западнее города штаб 156-й итальянской пехотной дивизии и захватил ее знамя. С подходом стрелковых соединений город Россошь был освобожден. Развивая наступление, части корпуса 19 января овладели населенным пунктом Карпенково, но при этом и сами понесли большие потери: в 12-м танковом корпусе осталось всего 44 исправных танка. Поэтому он вынужден был перейти к обороне, отражая атаки противника, стремившегося прорваться на запад. Утром 20 января к Карпенково подошли части 18-го отдельного стрелкового корпуса генерала П. М. Зыкова. В итоге вся острогожско-россошанская группировка вермахта оказалась рассеченной на две части. Часть немецких и венгерских соединений, а также весь Альпийский итальянский корпус (4 дивизии), попали в окружение.
Ликвидация острогожско-россошанской группировки. Итоги операции. К 18 января войска Воронежского фронта не только завершили окружение и рассечение острогожско-россошанской группировки, но и создали внутренний фронт окружения. Общая площадь района окружения, где находились 13 дивизий противника, составляла около 2,5 тыс. кв. км. К моменту образования внутреннего фронта советскому командованию удалось создать и внешний фронт окружения силами стрелковых соединений и 7-го кавалерийского корпуса. Введенный в прорыв с утра 15 января, этот корпус прошел с боями более 100 км. 19 января он овладел населенным пунктом Валуйки, где взял в плен свыше 3000 немецких и итальянских солдат и офицеров, захватил крупные склады продовольствия и другие военные трофеи. Сам корпус потерял 203 человека убитыми. В тот же день за отличные боевые действия в глубоком оперативном тылу противника, за смелость и доблесть личного состава корпус получил почетное звание гвардейского. В освобождении Валуек немалую роль сыграли партизаны. По заданию командира кавалерийского корпуса С. В. Соколова они взорвали железнодорожные пути на участках Валуйки — Уразово и Валуйки — Волоконовка, что не позволило противнику вывезти из города продовольствие и другие материальные ценности.