Немецкое командование понимало: с потерей Касторного возникает реальная угроза окружения основных сил 2-й немецкой армии, а это может привести к образованию огромной бреши в обороне на курском и белгородском направлениях. Поэтому оно принимало все меры, чтобы задержать продвижение советских войск и успеть отвести свою группировку на запад. Бои за населенный пункт Касторное принимали все более ожесточенный характер. Первой на северо-западную окраину города ворвалась 118-я танковая бригада подполковника Л. К. Брегвадзе. На вокзале танкисты увидели на путях готовые к отправке эшелоны с немецкими войсками и техникой. Один из эшелонов уже стал отходить от станции. Однако танк командира 1-го батальона капитана И. И. Волкова в упор расстрелял паровоз, а затем открыл огонь по вагонам. Попытка немцев вывезти войска и технику была сорвана.

Утром 28 января с юга в Касторное ворвался сводный отряд 40-й армии во главе с командиром 45-й танковой бригады 4-го танкового корпуса подполковником П. К. Жидковым. Положение противника становилось критическим. «К моменту выхода в район Касторное оперативная обстановка для нас складывалась довольно благоприятно, так как в обороне врага на участке от железной дороги Касторное — Курск до Купянска образовалась примерно 300-километровая брешь, слабо прикрытая войсками», — отмечал впоследствии маршал А. М. Василевский.

Несмотря на все усилия германского командования, немецкие войска не смогли удержать Касторное. Совместными усилиями армий Брянского и Воронежского фронтов важный узел коммуникаций 29 января был полностью освобожден. Одновременно юго-восточнее Касторного были окружены семь немецких (57, 68, 75, 88, 323, 340-я и 377-я) и две венгерские (6-я и 9-я) дивизии. Причем это произошло как раз в те дни, когда советские войска завершали уничтожение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда. Как и армия Паулюса, 2-я немецкая армия считалась одной из лучших в вермахте, и обе они бесславно закончили свое существование. Почти полностью были разгромлены и венгерские войска.

Однако сплошного внутреннего фронта окружения советским войскам, как и ранее, создать не удалось, что значительно осложнило борьбу с окруженной группировкой. Причина заключалась в том, что 28 января, в самый напряженный день операции, командующий войсками фронта генерал-полковник Ф. И. Голиков, исходя из директивы Ставки и в интересах проведения последующей наступательной операции, поставил перед войсками новые задачи: 38-я армия с рубежа реки Оскол должна была нанести удар на Обоянь, 40-я — на Белгород, а 60-я — на Курск. Следовательно, борьба с окруженной группировкой как бы отодвигалась на второй план. Считалось, что ее разгром несколькими соединениями 38-й армии завершится в короткие сроки без привлечения значительных сил и снижения темпов наступления. При этом совсем без внимания оставался тот факт, что численность ее составляла почти 40 тыс. человек, а соединения и части сохранили боеспособность.

Ликвидация немецкой группировки юго-восточнее Касторного. Итоги операции. С 29 января по 1 февраля продолжались бои по уничтожению противника юго-восточнее Касторного. К 31 января советские войска подошли к Старому Осколу. Гарнизон города, собранный из отдельных немецких и венгерских частей, любой ценой старался обеспечить окруженной группировке прорыв на запад. На его усиление в город был направлен сводный отряд численностью свыше 500 человек. Но им путь у разъезда Набокино преградили 17 воинов из 409-го отдельного истребительно-противотанкового дивизиона. Их стойкость и самоотверженность не позволили подвижной группе противника прорваться в город. За проявленные в том бою мужество и героизм все воины были отмечены высокими правительственными наградами, причем 13 из них посмертно. Одна из улиц Старого Оскола названа именем 17 героев.

Между тем, несмотря на то что потери германских войск и их союзников нарастали (только с 25 по 29 января войска Воронежского фронта взяли в плен 22 тыс. человек), борьба затягивалась. Связано это было с тем, что для полного уничтожения окруженной группировки привлекались только соединения 38-й армии, а этого оказалось явно недостаточно. В то время как у окруженных войск имелось до 35 тыс., в 38-й армии насчитывалось 27,5 тыс. человек.

Германское командование стремилось вывести свои окруженные войска на запад. После неудачных попыток прорваться за реку Тим противник изменил направление удара на Мантурово, что позволило шести пехотным дивизиям 2-й немецкой армии прорваться в районе населенного пункта Обоянь и соединиться там с главными силами. Помешать этому было трудно: штаб 38-й армии находился на большом удалении от передовых частей, проводной связи с ними не имел, а радиосвязь работала с перебоями. Поэтому каждому соединению приходилось действовать самостоятельно. Пехота нередко оказывалась без поддержки артиллерии и танков. Пути снабжения часто нарушал отходивший противник, а это, в свою очередь, вызывало перебои в доставке боеприпасов и горюче-смазочных материалов. Но в конце концов образовавшийся юго-восточнее Касторного котел к началу февраля был ликвидирован.

В итоге Воронежско-Касторненской операции советские войска продвинулись до 240 км. Они освободили большую часть Воронежской и Курской областей, в том числе города Воронеж, Касторное, Старый Оскол, Тим, Обоянь и много других крупных населенных пунктов.

Немецкое командование окончательно лишилось реки Дон как рубежа, который Гитлер требовал удерживать любой ценой. В то же время для советских войск были созданы благоприятные условия для развития наступления на Курск, Харьков и обхода Донбасса с севера. В ходе операции были разгромлены 2-я немецкая и 2-я венгерская армии — всего более 11 дивизий. Противник потерял более 83 тыс. солдат и офицеров. Признавая этот печальный итог, бывший генерал вермахта фон Бутлар отмечал: «2-я армия оказалась сильно потрепанной. К тому же она потеряла во время прорыва основную массу своей техники».

Особенно большие потери понесли венгерские войска. В журнале военных действий Верховного главнокомандования вермахта отмечалось, что «ход событий в полосе 2-й венгерской армии за несколько дней привел к полнейшему ее развалу». Личный состав армии был полностью деморализован. Те венгерские соединения и части, которым посчастливилось вырваться из окружения, вынуждены были отходить с Дона в район Гомеля в пешем порядке, так как железнодорожные эшелоны немцы им не выделяли. Когда командование венгерской армии попросило генеральный штаб сухопутных войск вооружить прибывшие в Конотоп части, оно получило сообщение, что фюрер принял решение не поставлять Венгрии ни оружия, ни снаряжения, а использовать венгров на Восточном фронте для несения охранной и строительной служб.

Необходимо отметить, что советским войскам победа досталась немалой ценой. С 24 января по 1 февраля 1943 года только войска Воронежского фронта потеряли убитыми, ранеными и пропавшими без вести свыше 33 тыс. человек. Наибольшие потери понесла 40-я армия — свыше 11,5 тыс. человек.

Боевые действия на Верхнем Дону (13 января — 2 февраля 1943 года).