К этому времени в корпусе в строю имелось только 44 танка. Поэтому, выйдя на рубеж Карпенково, Татарино, он перешел к обороне, отражая непрерывные атаки вражеских войск, стремившихся прорваться на запад, чтобы избежать окружения. Утром 20 января к Карпенково с северо-востока подошла 192-я танковая бригада, а вслед за ней и 161-я стрелковая дивизия 18-го стрелкового корпуса, которым командовал генерал-майор П. М. Зыков. В результате соединения 12-го танкового и 18-го стрелкового корпусов у Карпенково была окружена россошанская группировка врага, в состав которой входили итальянский альпийский корпус, 7-й венгерский корпус и остатки 24-го танкового корпуса вермахта. В окружение попало 8 дивизий: 4 итальянские, 2 немецкие и 2 венгерские.

Успешно наступал и 15-й танковый корпус. В 18 часов 17 января его 88-я танковая бригада (20 танков) под командованием полковника И. И. Сергеева ворвалась в Алексеевку.

Но тут последовала контратака превосходящих сил врага, и бригада, не располагая необходимым количеством пехоты, вынуждена была отойти на южную окраину города. Только с подходом 52-й мотострелковой бригады полковника Л. А. Головачева сопротивление противника было сломлено, и к 15 часам 19 января корпус овладел Алексеевкой. Было пленено 4030 вражеских солдат и офицеров, захвачено 700 автомашин, 300 повозок, 9 железнодорожных эшелонов с грузами.

Алексеевка являлась крупным узлом дорог на направлении отхода острогожской группировки противника. Поэтому немцы вскоре подтянули новые силы и начали контратаковать бригады 15-го танкового корпуса, намереваясь выбить их из города. Отразив натиск врага, корпус возобновил наступление и 21 января соединился с 305-й стрелковой дивизией полковника А. П. Крутихина из 40-й армии генерала К. С. Москаленко. Соединившись, войска 15-го танкового корпуса и 40-й армии завершили окружение острогожской группировки противника в составе пяти дивизий.

180-я стрелковая дивизия совместно с 173-й отдельной танковой бригадой и 62-й гвардейской стрелковой дивизией вели бой с противником восточнее Россоши, преграждая ему путь к городу. 179-я танковая бригада с одним полком 48-й гвардейской стрелковой дивизии составляла гарнизон Ольховатки. Главные силы 48-й гвардейской стрелковой дивизии в районе Варваровки вели бои с противником, отходившим на запад. Остальные стрелковые дивизии, не встречая сопротивления врага, наступали на запад.

В эти дни дерзко и решительно действовал 7-й кавалерийский корпус. 19 января он атакой с ходу овладел Валуйками, а 20 января — Уразово. Развивая наступление, 156-й кавалерийский полк, усиленный танковой ротой 201-й танковой бригады, утром 22 января овладел Волоконовкой. В боях за эти города корпус разгромил 5-ю альпийскую горную дивизию итальянцев и 619-й гренадерский полк, а также вражеские тыловые части и учреждения. Противник потерял свыше 2 тысяч человек убитыми, около 5 тысяч человек были взяты в плен. Корпус захватил несколько десятков исправных самолетов, 98 орудий, 8 паровозов, большое количество автомашин, много различных складов и военного имущества. Овладев Валуйками и Уразово, корпус прикрыл главные силы танковой армии от ударов противника с запада и лишил его возможности пользоваться рокадной железнодорожной магистралью. За успешные действия в операции он был преобразован в 6-й гвардейский кавалерийский корпус.

Как уже отмечалось, с выходом 12-го танкового и 18-го стрелкового корпусов в район Карпенково было завершено окружение россошанской группировки противника. Однако из-за того, что большая часть стрелковых дивизий танковой армии наступала в западном направлении, фронт окружения не был сплошным. Пользуясь этим, враг начал отход на запад, главным образом через Подгорное на Постоялый. Чтобы не дать противнику вырваться из окружения, командующий танковой армией в ночь на 19 января бросил навстречу ему свой резерв — 113-ю и 195-ю танковые бригады, которые к этому времени находились в Россоши, имея в строю по 8–10 танков. К утру 19 января танковые бригады, которыми командовали полковники А. Г. Свиридов и С. В. Леви, пройдя Постоялый, вышли в район населенного пункта Большое Скорорыба и южнее его. Но они не смогли сдержать многотысячные колонны врага и вынуждены были отойти к поселку Постоялый.

Отступление итальянского альпийского корпуса длилось 15 дней. Огромные толпы людей разных национальностей, страдая от холода и голода, двигались на запад. Они шли через степь, покрытую снегом, по дорогам, забитым брошенными автомашинами и повозками. Куда бы ни направлялись альпийцы, они неизменно натыкались на советские войска или партизан, под ударами которых колонны отступавших редели. Этот марш окончился в Шебекино, более чем за 300 км от Дона. Из 57 тысяч человек, попавших в окружение, едва удалось вырваться 27 тысячам. Во время отступления альпийский корпус потерял 90 % лошадей и мулов, 99 % автосредств, 100 % артиллерии, автоматического оружия и материальной части.

20 января в район прорыва россошанской группировки противника стали прибывать полки 180-й стрелковой дивизии Красной Армии, но и они не смогли сдержать натиск превосходящих сил врага. 21 января для борьбы с прорывавшимися войсками противника командарм бросил 62-ю гвардейскую и 160-ю стрелковые дивизии генерал-майора Г. М. Зайцева и полковника Э. Ж. Седулина. Эти дивизии 6-й армии 20 января были переподчинены 3-й танковой армии. Однако нескольким вражеским колоннам удалось вырваться из окружения.

С окружением россошанской и острогожской группировок противника 3-я танковая армия получила задачу — частью сил во взаимодействии с 18-м отдельным стрелковым корпусом завершить уничтожение окруженной россошанской группировки противника, а главные силы, в первую очередь танковые корпуса, перегруппировать в район Валуек в готовности с утра 27 января перейти в наступление на Харьков.

Однако в указанное время армия не смогла перейти в наступление, так как борьба с россошанской группировкой противника надолго затянулась и для этого пришлось привлечь оба танковых корпуса. 15-й танковый корпус до конца 25 января участвовал в ликвидации севернее Алексеевки острогожской группировки противника и только утром 27 января начал перегруппировку. Совершив 120-километровый марш, он к утру 29 января сосредоточился в районе Валуек. 12-й танковый корпус, совершив 150-километровый марш, сосредоточился в районе Валуек тоже к утру 29 января, так как в ходе перегруппировки вынужден был неоднократно вступать в бой с отдельными группами противника, вырвавшимися из окружения.

Перегруппировка корпусов проходила в тяжелых условиях: в течение нескольких дней бушевали сильные метели, и дороги стали непроходимыми для автомашин. Отстали тылы. Из-за отсутствия горючего долго простаивали танки.

Задерживалась перегруппировка и большей части стрелковых дивизий, так как в ходе выдвижения к Валуйкам они также вели бои с вырвавшимися из окружения вражескими частями. В район Валуек большинство из них прибыло лишь 29–31 января. Только 184-я стрелковая дивизия в район Валуек прибыла 24 января и перешла к обороне в 4–6 км западное города, обеспечивая сосредоточение главных сил армии. По этим причинам наступление на Харьков было перенесено на 2 февраля.

Январское наступление армии ознаменовалось крупными успехами. За 16 дней армия прошла с боями около 300 км и освободила от врага значительную территорию. Она разгромила 398, 385, 387-ю пехотные дивизии и 7 отдельных немецких полков, 7, 12, 13, 19-ю и 23-ю венгерские пехотные дивизии, итальянский альпийский корпус в составе 2, 3-й и 4-й альпийских пехотных и 156-й пехотной дивизий. Противник потерял убитыми 28 254 человека, в том числе 3 генерала и 43 старших офицера. Было уничтожено 28 танков, 13 бронемашин, 764 автомашины и 79 орудий, пленено 73 176 вражеских солдат и офицеров, в том числе 3 генерала и 209 старших офицеров, захвачено 44 танка, 13 бронемашин, около 5000 автомашин, 272 мотоцикла, 39 самолетов, 196 орудий, 605 пулеметов, 3500 лошадей и большое количество различных складов. 3-я танковая армия потеряла только 11 902 человека, из них 3016 человек убитыми, и 58 танков.