Sau khi khẳng định chính xác các thông tin về tình hình quân Đức vẫn còn nguyên giá trị, ngày 12 tháng 1, quân đội Liên Xô bắt đầu mở các trận tấn công lớn ở cánh Bắc và cánh Nam. Cánh quân trung tâm của Quân đoàn bộ binh độc lập 18 tạm thời chưa hoạt động. Tập đoàn quân xe tăng 3 vẫn tiếp tục các trận đánh trinh sát. 11 giờ sáng ngày 12 tháng 1, sau một giờ pháo kích chuẩn bị, các đơn vị đi đầu của Tập đoàn quân 40 gồm các sư đoàn bộ binh 107, lữ đoàn bộ binh độc lập 235 và lữ đoàn xe tăng 86 đã tràn qua tuyến phòng thủ đầu tiên của các sư đoàn bộ binh 5, 8 (Hungary) và sư đoàn xe tăng 20 (Đức) tại khu vực Starozhevoy, Uryv và đến trưa, đã tiến đến khu vực Boldyrevka. Quân Hungary chống cự yếu ớt và nhanh chóng đầu hàng. Ngay sau hai giờ giao chiến đầu tiên đã có hơn 1.000 lính và 32 sĩ quan Hungary hạ vũ khí. Tướng Moskalenko đã tung ngay các đơn vị chủ lực của Tập đoàn quân 40 gồm các sư đoàn 305, 340, 141 và các lữ đoàn xe tăng 116, 192 tràn qua đột phá khẩu và tiếp tục tấn công. Đến cuối ngày thứ hai của chiến dịch, cửa đột phá đã được mở rộng lên đến 50 km và sâu 17 km.[11]

Không chỉ mở đột phá khẩu, Tập đoàn quân 40 còn phải hướng đòn tấn công về phía Nam, đến Ostrogozhsk để nhanh chóng chặn đường rút lui của quân Đức và Ý. Sư đoàn xe tăng 20 (Đức) đã bị chia cắt, trung đoàn xe tăng 70 được điều về phòng thủ Ostrogozhsk, hai trung đoàn còn lại phải tác chiến trên hai hướng Volochnoye (???) và Boldyrevka. Tuy nhiên, tướng Moskalenko chỉ tung lữ đoàn xe tăng 86 và 141 lên hướng bắc, sư đoàn 25 cận vệ sang hướng tây và lữ đoàn bộ binh 235 chen giữa., đánh chiếm thị trấn Alekseyevka, còn các lữ đoàn xe tăng 116, 192 và các sư đoàn bộ binh 305, 340,107 được lệnh tiến nhanh qua Soldatskoye và Ternovoye về hướng Krasnoye, Lesnoye Ukolovo nhằm cắt đứt con đường sắt Ostrogozhsk - Kursk. Do sư đoàn pháo binh 10 ngay từ loạt đạn đầu tiên đã nã trúng trung tâm truyền tin của Sở chỉ huy tập đoàn quân 2 (Đức) nên pháo binh Đức không thể xạ kích vào đúng những hướng cần thiết để yểm hộ cho bộ binh và xe tăng.[8]

Ở hướng Nam, Tập đoàn quân xe tăng 3 bắt đầu tấn công ngày 13 tháng 1 và sau ba giờ chiến đấu mới đột phá tuyến phòng ngự của quân Đức trên chiều sâu từ 1 đến 3 km. Để tăng tốc độ tấn công, tướng P. S. Rybalko tung cả hai quân đoàn xe tăng 12 và 15 vào chiến đấu. Đến cuối ngày, các quân đoàn xe tăng đã khoét sâu lỗ đột phá từ 12 đến 15 km, tiêu diệt Bộ tham mưu quân đoàn xe tăng 24 (Đức) ở khu vực Zhilino. Ngày 15 tháng 1, quân đoàn xe tăng 15 phát triển về phía Bắc, hướng đến Alekseyevka, quân đoàn xe tăng 12 tấn công theo hướng Tây Bắc, vòng lên khu vực Rossosh, quân đoàn kỵ binh 7 yểm hộ phía Nam của quân đoàn xe tăng 12.[5]

Ngày 14 tháng 1, Quân đoàn bộ binh độc lập 18 ở cánh giữa cũng bắt đầu tấn công và đến cuối ngày 15 tháng 1 đã đột phá qua dải phòng thủ thứ hai của quân Đức tại tuyến Tây Liski, Krinitsa, Petrovskoye và Vokchie (???) sau các trận đánh ban đêm dưới trời rét 25 độ dưới không. Trong khi Tập đoàn quân xe tăng 3 và Tập đoàn quân 40 dồn ép quân Đức và quân Hungary từ phía Nam và phía Bắc thì Quân đoàn bộ binh 18 chia cắt đối phương thành từng nhóm lẻ, hoàn thành việc chiếm lĩnh chiều sâu chiến thuật giai đoạn 1 của chiến dịch và chuyển ngay sang tấn công các cụm quân Đức-Hungary tại Alekseyevka, Ostrogozhsk và Rossosh mà không có thời gian tạm dừng chiến thuật.[8]

Sau ba ngày đêm hình thành trận tuyến bao vây bên ngoài, quân đoàn xe tăng 12, các sư đoàn 107 và 308 (Quân đoàn bộ binh 18) đã bao vây ba sư đoàn Đức tại thị trấn Ostrogozhsk. Hai sư đoàn bộ binh và trung đoàn xe tăng 70 (Đức) nhanh chân thoát khỏi vòng vây chạy về Karpenkovo. Lối thoát duy nhất còn lại của quân Đức tại cánh nam là một hành lang hẹp không quá 10 km chạy qua giữa hai thị trấn Alekseyevks và Ylovskoye (???). Ngày 16 tháng 1, quân đoàn xe tăng 12 (Tập đoàn quân xe tăng 3) đã chiến đấu trên các đường phố của thị trấn Rossosh và giải phóng thị trấn này ngay trong ngày hôm đó. Trên hướng cực Nam của chiến dịch, quân đoàn kỵ binh 7 cũng đánh chiếm thị trấn Valuyki. Ngày 18 tháng 1, vòng vây của quân đội Liên Xô đã khép chặt quanh khu vực tam giác Ostrogozhsk - Rossosh - Alekseyevka trên diện tích rộng khoảng 2.500 km2. Trong vòng vây là một đạo quân gồm 13 sư đoàn Đức, Hungary và Ý.[5]

Từ ngày 19 đến ngày 24 tháng 1, các cụm phòng thủ của quân Đức và đồng minh đã không còn yểm hộ được cho nhau và lần lượt bị quân đội Liên Xô tràn ngập. Ngày 20 tháng 1, 4 sư đoàn Đức bị đánh tan ở khu vực phía Đông thị trấn Rossosh. Ngày 22 tháng 1, cụm quân Đức-Hunggary tại thị trấn Ostrogozhsk chịu chung số phận Ngày 24 tháng 1, 9.000 quân Đức và Ý tại thị trấn Alekxeyevka hạ vũ khí đầu hàng.[12]