Большая часть артиллерии усиления, которую можно было привлечь к обеспечению операции Воронежского фронта, находилась в районе Острогожска, где только что закончились бои с крупной группировкой немецких войск. Из района Острогожска на левый фланг 60-й армии, наносившей главный удар, были перегруппированы 10-я артиллерийская дивизия и часть 4-й гвардейской минометной дивизии. Остальные армии получили на усиление по нескольку артиллерийских и минометных полков.

Маневр артиллерии затруднялся плохим состоянием дорог, частыми снежными заносами и буранами и недостаточным количеством средств тяги. В особенно тяжелом положении оказалась 38-я армия, артиллерии усиления которой предстояло совершить марш на 150–300 километров, и существовала опасность, что она не прибудет к началу операции. На помощь пришел соседний Брянский фронт, выделивший из своей 12-й артиллерийской дивизии два полка в 38-ю армию.

На направлениях главного удара армий удалось довести плотность артиллерии всего до 20–50 орудий и минометов на 1 километр фронта. В 38-й армии для увеличения плотности артиллерии на участке прорыва за счет внутриармейской перегруппировки была использована вся гаубичная артиллерия и значительная часть 82-мм минометов стрелковых дивизий, оборонявшихся на второстепенных участках фронта.

Недостаток времени сказался на организации разведки и планирования огня. Разведка противника велась наблюдением с наземных НП. Использовать подразделения артиллерийской инструментальной разведки (АИР) фактически не удалось. Оба разведывательных дивизиона, предназначенных для ведения разведки в полосах 40-й и 60-й армий, прибыли за 1–2 дня до начала операции и не смогли выполнить возложенные на них задачи. Большую помощь в планировании огня артиллерии могли оказать данные аэрофоторазведки, но этому не было уделено должного внимания. По этим причинам артиллерийские штабы располагали весьма скудными данными об обороне противника на фронте 40-й и 60-й армий.

Из-за недостатка времени многие боевые документы, за исключением боевых приказов и распоряжений, артиллерийскими штабами, как правило, не разрабатывались. Задачи артиллерии ставились по карте и уже в частях и подразделениях уточнялись на местности. Вся работа по организации огня была сосредоточена в низовых звеньях.

В более благоприятных условиях в отношении организации разведки и планирования огня находилась артиллерия 38-й армии. Армия в течение длительного времени оставалась в стабильном положении. За это время она смогла лучше изучить противника, осуществить мероприятия по подготовке наступления и провести более детальное планирование огня,

Воронежско-Касторненская операция началась 24 января 1943 года. В этот день части 40-й армии должны были после артиллерийской подготовки нанести удар с юга в направлении Касторного. Однако утром 24 января 1943 года поднялась метель. Дороги занесло. Мороз достигал —20 °C. Главное же, видимость была крайне ограничена. Начало наступления пришлось перенести на 12 часов. Но и к полудню метель не унялась. Тем не менее вновь отложить атаку значило бы вообще в этот день отказаться от нее. Поэтому в 12 часов 30 минут, несмотря на плохую видимость, пришлось начать артиллерийскую подготовку. Она продолжалась согласно плану 30 минут, но ее результат был незначителен. Артиллеристы не видели целей и потому не смогли подавить большую их часть. От авиационной подготовки в условиях сильной метели пришлось отказаться.

Все это осложнило действия нашей пехоты и танков. Пехота, приблизившаяся к переднему краю обороны противника на 300–350 метров во время артиллерийской подготовки, немедленно после ее окончания, в 13 часов, вместе с танками атаковала вражеские позиции. Она была встречена артиллерийским и ружейно-пулеметным огнем. По всему фронту разгорелся ожесточенный огневой бой. Однако уже час спустя войскам 40-й армии удалось на отдельных участках сломить сопротивление противника и начать продвижение вперед. Отразив контратаки врага, стрелковые дивизии к концу дня вклинились в оборону противника в районах Бочарова и Старо-Николаевской.

Противник оказал особо упорное сопротивление в населенном пункте Синие Липяги, блокированном частью сил 183-й стрелковой дивизии. Для разгрома этого сильного узла обороны была подтянута армейская группа дальнего действия 40-й армии (76-й гв. и 1109-й пап), 4-й гв. иптап, три батареи 493 минометного полка и артиллерийский полк дивизии. До 29 января велась разведка. После того как было уточнено расположение огневых средств противника, утром 29 января артиллерия провела получасовую артиллерийскую подготовку. Огневые средства противника были подавлены, и пехота штурмом овладела Синими Липягами.

Между тем главные силы 40-й армии продолжали развивать наступление и к 29 января подвижными соединениями 4-го танкового корпуса вышли к Касторному.

В полосе 60-й армии перед ее правым флангом противник в ночь на 25 января начал отвод своих войск из района Воронежа. Утром 25 января на фронте ударной группы армии была проведена одночасовая артиллерийская подготовка, которая не дала, однако, существенных результатов. Произошло это из-за острого недостатка боеприпасов, вследствие чего огонь артиллерии не имел необходимой плотности.

На левом фланге армии завязались упорные бои. Однако 27 января противник и здесь начал отход на Курбатово. Преследуя врага, артиллерия вела огонь по отходившим колоннам и отдельным группировкам, оказывающим сопротивление. В районе Курбатова было захвачено 4000 пленных и около 100 орудий. Но основная группировка немецких войск сумела отойти на Нижнедевидск, где вступила в бой с частями 40-й армии.

В 38-й армии наступление началось 25 января после получасовой артиллерийской подготовки. Прорвав оборону противника, войска армии устремились на Касторное. Уже 28 января 240-я стрелковая дивизия завязала бой за город при поддержке трех артиллерийских полков и дивизиона реактивной артиллерии.

13-я армия Брянского фронта начала наступление утром 26 января. Артиллерийская подготовка проводилась по плану и на большинстве участков имела значительный эффект. Однако на правом фланге участка прорыва противник оказывал ожесточенное сопротивление в Ломигорах, Мишине, отбивая атаки нашей пехоты и танков. Для подавления узла обороны в Ломигорах, Мишине были привлечены три гаубичных и один легкий пушечный полк из состава 5-й артиллерийской дивизии, артиллерийский полк 148-й стрелковой дивизии и дивизион реактивной артиллерии. Массированным огнем артиллерия подавила противника, и наши части овладели важным узлом его обороны.

Развивая успех, войска армии продвигались на Касторное. В районе Куликовки они перехватили отходившую под ударами частей 38-й армии колонну противника в составе 1500 человек, около 1000 повозок и большого количества автомашин. В ее уничтожении участвовали два батальона 132-й стрелковой дивизии, усиленные вторым дивизионом 425-го артиллерийского полка и дивизионом реактивной артиллерии. Дивизион 425-го артиллерийского полка быстро подавил огневые средства противника. Залпы реактивной артиллерии окончательно деморализовали врага. После короткого боя наши части захватили весь обоз и более 500 пленных.

28 января наши войска завязали бои за Касторное, а 29 января они освободили город от гитлеровцев. Таким образом, ударами 40-й и 60-й армий Воронежского фронта с юга, 13-й армии Брянского фронта и 38-й армии Воронежского фронта с севера основные силы 2-й немецкой армии были окружены, расчленены на части и разгромлены.