Развитие наступления и окружение острогожско-россошанской группировки. 14 января в наступление перешли остальные силы фронта, а также 6-я армия Юго-Западного фронта под командованием генерал-лейтенанта Ф. М. Харитонова. Но на направлениях их ударов немцы оказали сильное сопротивление. Так, 184-я стрелковая дивизия 3-й танковой армии осталась без приданных ей танков, которые при выдвижении на исходные позиции застряли в занесенном сугробами овраге, понесла большие потери и была остановлена перед передним краем вражеской обороны. Столь же безуспешно атаковали противника и соседние дивизии. После трехчасового боя соединения армии вклинились в главную полосу обороны только на 1–3 км. Когда командующий 3-й танковой армией генерал П. С. Рыбалко ввел в сражение части 12-го и 15-го танковых корпусов, обстановка резко изменилась. К исходу дня корпуса продвинулись на глубину до 25 км, разгромив в районе Жилина штаб 24-го немецкого танкового корпуса. Продвижению танковых соединений способствовало наступление 6-й армии Юго-Западного фронта. В результате его германское командование не только не смогло перегруппировать свои резервы с юга к участку прорыва танковой армии, но и вынуждено было ввести в бой против 6-й армии генерала Ф. М. Харитонова резервные 27-ю танковую и 320-ю пехотную дивизии.

Не менее сложно прорывалась оборона и в полосе наступления 18-го отдельного стрелкового корпуса. Не только из-за глубокого снега, но и вследствие плохой организации взаимодействия, артиллерийские орудия сопровождения, а частично и танки непосредственной поддержки, отстали от пехоты. К исходу дня корпус так и не выполнил поставленной задачи. Утром на этом направлении в сражение были введены 26-я пехотная немецкая и 1-я танковая венгерская дивизии (20 Pz.Kpfw.IV.Ausf.F1, Pz.Kpfw.38(t), 19 легких танков «Toldi I/IIа», 18 бронеавтомобилей «Csaba»). Эти оперативные резервы на три дня задержали части корпуса перед второй полосой обороны.

15 января наиболее успешно действовали 141-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада 40-й армии. Они продвинулись еще на 10 км, достигли рубежа Маслов Лог — Яблочное и создали реальную угрозу выхода на тылы 2-й немецкой армии в районе Воронежа. В результате этого германское командование спешно начало снимать свои дивизии, располагавшиеся вдоль Дона, намереваясь бросить их против наступающих войск 40-й армии.

25-я гвардейская и 305-я стрелковые дивизии прорвали вторую полосу обороны противника в направлении населенных пунктов Репьевка, Красное, продвинулись на 20 км и овладели рубежом Скорицкое — Фабрицкое — Комсомолец — Свистовка — Богословка. Противник в беспорядке отступал, бросая вооружение и технику. Только одной 25-й гвардейской стрелковой дивизии в этот день сдались в плен 620 солдат и офицеров венгерских частей. Дивизия также захватила 75 орудий разного калибра, 120 тракторов, 37 автомашин, 49 пулеметов, 37 минометов, 1123 винтовки, 120 повозок, 54 противотанковых ружья и три склада.

В этот день самое сильное сопротивление противник оказывал на участке 107-й стрелковой дивизии. Вследствие этого она продвигалась медленнее, чем в предшествующие дни. Для усиления натиска в юго-западном направлении генерал К. С. Москаленко перебросил сюда и 340-ю стрелковую дивизию, оставив прикрытие на ее прежнем участке. К концу дня части этой дивизии освободили населенный пункт Терновая. По-прежнему действовавшая совместно с ними 150-я танковая бригада одновременно прорвалась через боевые порядки противника и овладела деревней Лесное Уколово.

К исходу 15 января войсками армии была прорвана оборона противника на всю тактическую глубину. На правом фланге войска армии продвинулись вперед на 20 км, на левом — на 16, в центре — на 35. Тем самым были созданы условия для развития наступления на окружение и расчленение группировки противника во взаимодействии с 18-м стрелковым корпусом и 3-й танковой армией. Оперативная обстановка для решения этой задачи была вполне благоприятной, ибо все свои резервы германское командование ввело в сражение, а подготовленных в глубине оборонительных рубежей на этих направлениях оно не имело. Используя преимущества обстановки, 107-я стрелковая дивизия 17 января прорвалась к Острогожску, где, соединившись с частями 18-го стрелкового корпуса, окружила 10-ю венгерскую пехотную дивизию. Одновременно 88-я танковая бригада 15-го танкового корпуса 3-й танковой армии под командованием полковника И. И. Сергеева, не ввязываясь в затяжные бои за отдельные опорные пункты и узлы сопротивления, в 18.00 17 января ворвалась в Алексеевку. Через день с ней установила огневую связь 309-я стрелковая дивизия полковника А. П. Крутихина. В окружение попали части 8-й итальянской армии, 7-го венгерского армейского и 24-го немецкого танкового корпусов.

В это же время 12-й танковый корпус устремился на город Россошь. В завязавшихся уличных боях личный состав 106-й танковой бригады полковника И. Е. Алексеева действовал дерзко, стремительно и мужественно. Танковый взвод лейтенанта Д. С. Фоломеева, высланный для ведения разведки, разгромил западнее города штаб 156-й итальянской пехотной дивизии и захватил ее знамя. С подходом стрелковых соединений город Россошь был освобожден. Развивая наступление, части корпуса 19 января овладели населенным пунктом Карпенково, но при этом и сами понесли большие потери: в 12-м танковом корпусе осталось всего 44 исправных танка. Поэтому он вынужден был перейти к обороне, отражая атаки противника, стремившегося прорваться на запад. Утром 20 января к Карпенково подошли части 18-го отдельного стрелкового корпуса генерала П. М. Зыкова. В итоге вся острогожско-россошанская группировка вермахта оказалась рассеченной на две части. Часть немецких и венгерских соединений, а также весь Альпийский итальянский корпус (4 дивизии), попали в окружение.

Ликвидация острогожско-россошанской группировки. Итоги операции. К 18 января войска Воронежского фронта не только завершили окружение и рассечение острогожско-россошанской группировки, но и создали внутренний фронт окружения. Общая площадь района окружения, где находились 13 дивизий противника, составляла около 2,5 тыс. кв. км. К моменту образования внутреннего фронта советскому командованию удалось создать и внешний фронт окружения силами стрелковых соединений и 7-го кавалерийского корпуса. Введенный в прорыв с утра 15 января, этот корпус прошел с боями более 100 км. 19 января он овладел населенным пунктом Валуйки, где взял в плен свыше 3000 немецких и итальянских солдат и офицеров, захватил крупные склады продовольствия и другие военные трофеи. Сам корпус потерял 203 человека убитыми. В тот же день за отличные боевые действия в глубоком оперативном тылу противника, за смелость и доблесть личного состава корпус получил почетное звание гвардейского. В освобождении Валуек немалую роль сыграли партизаны. По заданию командира кавалерийского корпуса С. В. Соколова они взорвали железнодорожные пути на участках Валуйки — Уразово и Валуйки — Волоконовка, что не позволило противнику вывезти из города продовольствие и другие материальные ценности.

Следует отметить, что как внутренний, так и внешний фронты окружения не были сплошными. Советские войска занимали лишь узлы дорог и населенные пункты на наиболее вероятных путях прорыва, причем 75 % сил фронта, принимавших участие в операции, было сосредоточено на внутреннем фронте окружения. Это создавало предпосылки для разгрома войск противника в короткие сроки. Но надо было спешить, так как нарастала угроза, что окруженные немецкие войска попытаются прорвать кольцо.