Столь же решительно концентрировалась на выбранных направлениях ударов артиллерия. Из 4379 орудий и минометов фронта к наступлению привлекалось 3150 единиц, или 70% общей численности артиллерии. На трех участках прорыва общим протяжением 34 км было сосредоточено 2644 орудия и миномета. Особенно важна была концентрация артиллерии в условиях слабости ее качественного состава. Из общего количества артиллерии, привлеченной к прорыву, противотанковая артиллерия составляла 12,5%, минометы — 51,5%, 76-мм орудия — 23%, 122-мм и 152-мм орудия — 12,5% и 203-мм орудия — всего 0,5%. Ситуация усугублялась отсутствием самостоятельного железнодорожного участка. Воронежский фронт вынужденно базировался на железнодорожный участок Юго-Западного фронта. Ограниченное количество автомобильного транспорта и загруженность железных дорог оперативными перевозками крайне усложняли накопление боеприпасов для операции. Вместо 3—3,5 боекомплекта, предусмотренных планом операции, обеспеченность боеприпасами составляла 1—2 боевых комплекта.

Количество, качество артиллерии и недостаток боеприпасов к ней в какой-то мере компенсировались значительными силами танков, выделяемых для непосредственной поддержки пехоты. Всего в составе Воронежского фронта было 896 танков (112 KB, 405 T-34, 87 М3 «Ли», 263 Т-60 и Т-70, 29 М3 «Стюарт»). Из этого числа для обеспечения обороны 38-й и 60-й армий выделялось 99 танков, 382 танка составляли эшелон развития успеха (два танковых корпуса 3-й танковой армии, 4-й танковый корпус к началу операции не прибыл) и 415 боевых машин выделялось для непосредственной поддержки пехоты трех ударных группировок фронта. В 40-й армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 116 (23 KB 5 Т-70), 150 (29 T-34, 10 Т-70 и 4 Т-60) и 86-я (6 KB, 12 T-34) танковые бригады. В 18-м отдельном стрелковом корпусе — 96-я (15 T-34 и 6 Т-60) и 192-я (34 М3 «Ли» и 16 М3 «Стюарт») танковые бригады и 262-й танковый полк (21 КВ-1С). В полосе наступления 3-й танковой армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 173-я и 179-я танковые, бригады и 97-я тяжелая танковая бригада 12-го танкового корпуса, а всего 162 танка. Основные силы 12-го и 15-го танковых и 7-го кавалерийского корпусов должны были войти в пробитый пехотой прорыв. В целом танки подобно артиллерии и стрелковым соединениям концентрировались на направлениях главного удара. Из 896 танков фронта для проведения наступления привлекалось 797 танков, т.е. почти 90% бронетехники. Вследствие того, что танковый корпус А.Г.Кравченко не прибыл к началу наступления в полосу 40-й армии, операция приобрела ярко выраженную форму «асимметричных канн». Во-первых, оба самостоятельных подвижных соединения задействовались в полосе наступления южной ударной группировки, а во-вторых, из 797 выделяемых для операции танков 544 единицы сосредотачивались на левом крыле фронта.

В отсутствие заметного общего численного перевеса над противником в результате перегруппировки сил войскам Воронежского фронта удалось достичь превосходства на участках прорыва. Тактические плотности на участках прорыва армий составляли: 1,7—3,3 батальона, 41—108 орудий и минометов и 10—22 танка на 1 км фронта. Превосходство над противником при прорыве главной полосы его обороны выражалось: по пехоте — в 2,3—3,7 раза и по артиллерии — в 5—8 раз.

Поддержку наступления Воронежского фронта с воздуха предполагалось осуществлять силами 2-й воздушной генерал-майора авиации К.Н.Смирнова. К тому моменту в ее состав входили две истребительные, две штурмовые авиационные дивизии и одна дивизия ночных бомбардировщиков, в которых в общей сложности имелось 208 боевых самолетов.

Вся авиация воздушной армии была разделена на две группы: северную и южную. Северная группа в составе одной истребительной и одной штурмовой авиационных дивизий (всего 64 самолета) предназначалась для обеспечения боевых действий 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса. Южная группа в составе одной истребительной, одной штурмовой авиационных дивизий и двух авиационных полков ночных бомбардировщиков (всего 78 самолетов) должна была обеспечивать боевые действия 3-й танковой армии и 7-го кавалерийского корпуса. В непосредственном распоряжении командующего 2-й воздушной армией был оставлен один полк ночных бомбардировщиков.

Вследствие трудностей с сосредоточением войск и накоплением боеприпасов срок начала наступления был перенесен с 12 на 14 января 1943 г. Но реально боевые действия начались на день раньше. Переходу в наступление 40-й армии предшествовали проведенные 12 января бои передовых батальонов двух стрелковых дивизий ударной группировки армии. В результате действий этих батальонов, успех которых был развит вводом главных сил дивизий, в полосах которых они вели разведку боем, наши войска вклинились в оборону противника на 6-километровом фронте на глубину до 3—3,5 км. Обстановка, сложившаяся на сторожевском плацдарме в связи с достигнутым передовыми батальонами успехом, требовала немедленного ввода в бой главных сил 40-й армии. Командующий фронтом принял правильное и соответствующее данной обстановке решение — использовать успех 107-й и 25-й гвардейской стрелковых дивизий и приказал командующему 40-й армией перейти в наступление главными силами не 14, а утром 13 января. В ночь на 13 января части первого эшелона 40-й армии заняли исходное положение для наступления. На рассвете 13 января войска первого эшелона 40-й армии после артиллерийской подготовки перешли в наступление с рубежа, достигнутого 12 января передовыми батальонами. К исходу дня главная полоса обороны 7-й венгерской пехотной дивизии перед сторожевским плацдармом была прорвана на 10-километровом фронте. В этот день состоялся танковый бой между советской 150-й танковой бригадой полковника И.В.Софронова и немецким 700-м отдельным танковым отрядом в составе 10 Pz.IV и 40 Pz.38(t). Бой закончился разгромом немецкого отряда и пленением его командира.

Начало постепенному «отламыванию» кусков фронта было положено. В целом ход боевых действий Острогожско-Россошанской операции может быть условно разделен на два этапа. В ходе первого этапа операции, с 13 по 15 января, войска фронта осуществили прорыв обороны противника на всех трех направлениях и создали необходимые условия для развития операции на окружение и расчленение его острогожско-россошанской группировки. Второй этап — окружение и уничтожение противника — длился двенадцать дней (с 16 по 27 января). В течение первых трех дней этого этапа войска фронта осуществили маневр на окружение и расчленение группировки противника и образовали внутренний и внешний фронты окружения. С 19 по 27 января происходила окончательная ликвидация окруженных войск противника.

День 14 января 1943 г. ознаменовался активными боевыми действиями всех трех ударных группировок Воронежского фронта. Также 14 января перешла в наступление и соседняя 6-я армия Юго-Западного фронта. К исходу дня 40-я армия расширила прорыв до 50 км по фронту и до 17 км в глубину. Однако захватить с ходу вторую полосу обороны противника не удалось. Такое развитие событий вынудило К.С.Москаленко ввести в сражение свой второй эшелон. 305-я стрелковая дивизия была использована для развития наступления на направлении главного удара, а 253-я стрелковая бригада — для расширения прорыва в сторону правого фланга. Только к исходу 15 января войска 40-й армии завершили прорыв всей тактической глубины вражеской обороны. Фронт наступления армии к этому времени увеличился с 84 км до 100 км. Глубина продвижения равнялась 20 км на правом фланге, 35 км в центре и 16 км на левом фланге.