3-я гвардейская армия силами четырех стрелковых дивизий, двух стрелковых, одной мотострелковой бригад и одного механизированного корпуса прорывала оборону противника в районе Боковской и развивала удар в общем направлении на Морозовский, охватывая частью сил 8-ю итальянскую армию с юга. К концу операции армия должна была выдвинуться на рубеж Никольская, Тацинская, Морозовский. Вспомогательный удар силою одной стрелковой дивизии армия наносила восточнее Вешенской.

5-я танковая армия Юго-Западного фронта, а также 5-я ударная армия Сталинградского фронта должны были наступать с севера и востока против группировки немецких войск в районе Тормосина.

С запада операция обеспечивалась наступлением 6-й армии Воронежского фронта на Кантемировку с выходом ее на рубеж Нов. Калитва, Марковка и ударом 17-го танкового корпуса этой армии через Кантемировку на Волошине.

Все армии, за исключением 5-й танковой армии, были построены в два эшелона. Во втором эшелоне 6, 1-й гвардейской и 3-й гвардейской армий было по одной стрелковой дивизии и танковые и механизированные корпуса этих армий.

Боевые порядки стрелковых корпусов и стрелковых дивизий имели одноэшелонное построение. Стрелковые же полки, как правило, были построены в два эшелона.

Характерным для «Сатурна» было дерзкое сосредоточение сил на направлениях главных ударов. Так, 6-я армия, развернув на 18-километровом участке фронта одну стрелковую дивизию, на 9-километровом участке прорыва сосредоточила четыре стрелковые дивизии и один танковый корпус. Левый сосед 6-й армии, 1 -я гвардейская армия, развернув на 127-километровом фронте две стрелковые дивизии, на 18-километровом участке прорыва сосредоточила пять стрелковых дивизий и три танковых корпуса. 3-я гвардейская армия, сосредоточив на 14-километровом участке фронта прорыва четыре стрелковые дивизии и один механизированный корпус, на остальном 75-километровом фронте развернула только три дивизии. Благодаря этому на направлениях главных ударов были созданы значительные плотности войск и техники. Такое ослабление пассивных участков фронта было оправданно, поскольку наступлений и прорывов от армий союзников ожидать не приходилось.

Действия 6-й армии должны были поддерживаться авиацией 2-й воздушной армии Воронежского фронта; действия 1-й гвардейской и 3-й гвардейской армий — 17-й воздушной армией Юго-Западного фронта.

К началу операции советские войска, развернувшиеся на фронте от Нов. Калитва до устья р. Лиска (приток р. Чир), насчитывали в своем составе двадцать пять стрелковых дивизий, четыре танковых, два механизированных и один кавалерийский корпуса, восемь танковых полков, три стрелковые, одну мотострелковую и три танковые бригады.

На этом участке против 6-й армии Воронежского фронта и войск Юго-Западного фронта действовали основные силы 8-й итальянской армии, оперативная группа «Холлидт», остатки 3-й румынской армии и часть сил армейской группы «Гот» в составе девятнадцати пехотных, трех танковых и одной кавалерийской дивизий, трех пехотных бригад и одной сводной группы силою до двух дивизий.

Первым днем наступления стало 16 декабря. В 8.00 в густом тумане началась артиллерийская подготовка. Плохая видимость заставила приблизить наблюдательные артиллерийские пункты к переднему краю обороны противника на расстояние до 250—300 м. Но все системы огня противника и значительная часть его артиллерии не были подавлены. Плохие погодные условия также лишили начальный период «Малого Сатурна» поддержки с воздуха. Самолеты до середины дня в воздух подниматься не могли. Но вновь удача сопутствовала советскому наступлению — под удар наступающих советских войск попали в основном дивизии союзников Германии.

Точно так же, как в ходе наступления по плану «Уран», для завершения прорыва тактической обороны противника пришлось в первый день ввести танковые корпуса армий. Это снизило их боевые возможности при последующих действиях в оперативной глубине. В ожесточенных двухдневных боях танковые корпуса совместно с пехотой прорвали вражескую оборону. К исходу 18 декабря войска 1-й гвардейской и 6-й армий расширили фронт прорыва до 60 км. К этому времени был завершен прорыв и в полосе 3-й гвардейской армии на фронте шириною в 20 км.

После прорыва фронта война перешла в маневренную фазу. Танковые корпуса 6-й и 1-й гвардейской армий, а также механизированный корпус 3-й гвардейской армии начали развивать наступление на юг и юго-восток, уничтожая тылы и отступавшие колонны противника, окружая отдельные его группировки и передавая борьбу с ними подходившим стрелковым дивизиям.

Советские танковые корпуса с разных сторон рвались к Миллерово. В сумерках 18 декабря 25-й танковый корпус П.П.Павлова был всего в 25 км к северо-востоку от Миллерово. На рассвете 19 декабря 18-й танковый корпус Б.С.Бахарова достиг города Мешков, примерно в 50 км к северу от Миллерово, в тот же день 25-й танковый корпус достиг точки в 20 км к востоку от города. Миллерово к тому моменту обороняли только недавно прибывшие туда части войск СС под командованием штандартенфюрера СС Шульдта. Взятие Миллерово было отдано 17-му и 18-му танковым корпусам, а 24-й и 25-й танковые корпуса направились дальше на юго-восток, к Тацинской и Морозовской.

Следовавшая по пятам танковых корпусов 6-я армия 19 декабря овладела Нов. Калитвой и Кантемировкой и с этого дня была передана в состав Юго-Западного фронта. К 22 декабря были окружены три итальянские и одна немецкая пехотные дивизии северо-восточнее Алексеево-Лозовское. Эта группировка врага была ликвидирована 24 декабря, причем советские войска взяли в плен 15 тысяч вражеских солдат и офицеров. Были также окружены группы противника юго-восточнее Кантемировки, в Чертково, в Верхне-Чирском, восточнее Каменского.

В связи с разгромом 8-й итальянской армии и войск левого крыла группы армий «Дон» немецкое командование вынуждено было спешно начать переброску войск с других участков фронта, а также с ходу бросать в бой войска, прибывавшие из Франции. Первым шагом стало создание армейской группы Фреттер-Пико. Штаб XXX армейского корпуса под командованием генерала артиллерии Максимилиана Фреттер-Пико с лета стал «пожарной командой» Восточного фронта. В августе-сентябре он отражал наступление советских войск в Синявинской операции, в конце ноября и начале декабря — удары «Марса». 20 декабря штаб новоявленной армейской группы прибыл в Днепропетровск. Командование группы армий «Б» приказало Фреттер-Пико прикрыть силами 304-й пехотной дивизии переправы через Северский Донец в районе Ворошиловграда и Каменска.

В район к югу от Новой Калитвы были переброшены с севера две итальянские дивизии и из-под Воронежа 387-я пехотная дивизия немцев. В Старобельск немецкое командование перебросило с центрального участка фронта 19-ю танковую дивизию. Она выдвинулась в Беловодск и отсюда 24 декабря нанесла контрудар в направлении на Чертково и Михайлово-Александровский. В Миллерово была направлена перебрасываемая по железной дороге в район Тормосина 3-я горноегерская дивизия немцев, а затем прибывшие из Франции 304-я пехотная и части 7-я танковой дивизии. Последняя, так же как и 6-я танковая дивизия, прошла переформирование и теперь прибыла на фронт укомплектованная новой техникой. Приказ на перевозку она получила 16 декабря и успела уже к «шапочному разбору». В районе Морозовского и Тацинской противник сначала развернул фронтом на север следовавшую в район Тормосина 306-ю пехотную дивизию, а затем направил в район Тацинской 11-ю танковую дивизию, сняв ее с участка фронта севернее Тормосина. Тацинская к тому моменту была крупным аэроузлом, через который шло снабжение по воздуху окруженной под Сталинградом 6-й армии. Также через Тацинскую проходила железная дорога, на которую опиралось снабжение немецких войск на внешнем фронте окружения под Сталинградом.