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.

Наступление с плацдармов имело как свои несомненные преимущества (отсутствие необходимости форсировать пусть даже замерзшую реку), так и очевидный недостаток — противник уделял повышенное внимание обороне по периметру плацдарма. Этот фактор проявил себя в ходе наступления 18-го отдельного стрелкового корпуса со щучьенского плацдарма. Ударная группировка корпуса после двухчасовой артиллерийской подготовки перешла 14 января в наступление и к исходу дня прорвала главную полосу обороны 12-й венгерской пехотной дивизии. Дальнейшее развитие прорыва здесь осложнилось. Противник ввел на этом направлении свои резервы (26-ю пехотную дивизию и 1-ю венгерскую танковую дивизию) и своим упорным сопротивлением на три дня сковал части корпуса на второй полосе обороны.

Формально 3-я танковая армия должна была наступать на наспех занятую оборону противника. Поэтому первоначально предполагалось провести в полосе ее наступления два 10-минутных огневых налета. Однако новые данные разведки заставили серьезнее отнестись к прочности обороны XXIV танкового корпуса. Корпус был усилен переброшенными в декабре из 2-й армии 385-й и 387-й пехотными дивизиями, а также 27-й танковой дивизией. В полосе предстоящего наступления 3-й танковой армии оборонялась 27-я танковая дивизия, имевшая на вооружении 75-мм противотанковые пушки. Кроме того, в этот район начала прибывать из 9-й армии моторизованная дивизия «Великая Германия» в лице так называемой боевой группы Поллмана (с ротой танков).

Постепенное усиление обороны вынудило переработать план артиллерийского наступления буквально в последний момент. Вместо 20 минут артиллерийская подготовка велась полтора часа. Густой туман затруднял наблюдение за результатами артиллерийского огня. В результате быстрого прорыва обороны силами стрелковых соединений не получилось. После трехчасового боя три стрелковые дивизии вклинились в оборону противника только на 1–3 км. П.С.Рыбалко принимает решение изменить первоначальный план операции и ввести в бой 12-й и 15-й танковые корпуса. В 13.40 они начали выдвижение к передовой из исходного района.

Ввод в бой танковых корпусов сразу радикально изменил обстановку и позволил танковым ударом прорвать фронт и открыть путь вперед пехоте. К исходу дня 14 января 12-й и 15-й танковые корпуса прорвали оборону противника на 10-километровом фронте и продвинулись на глубину в 23 км, оторвавшись от пехоты на 6–8 км. При этом 15-й танковый корпус разгромил штаб XXIV танкового корпуса, командир корпуса генерал Мартин Вандель был найден мертвым на поле боя. Стрелковые соединения армии, используя и закрепляя успех танковых корпусов, в течение дня продвинулись от 2 км на правом фланге и до 14 км на левом фланге.

Вместе с тем задача первого дня наступления 3-й танковой армией была выполнена не полностью. Незапланированный ввод в бой за главную полосу обороны противника танковых корпусов привел к тому, что они действовали в труднопроходимой для них местности и в первый день операции израсходовали все горючее и все боеприпасы. В ожидании подвоза боеприпасов и горючего танковые корпуса простояли всю ночь на 15 января.