Mùa đông 1942-1943 nổi tiếng rét dữ và nhiều bão tuyết. Các sư đoàn bộ binh Liên Xô lội trong tuyết ngập đến đầu gối dưới trời rét 28 độ âm. Vì vậy mà Bộ chủ huy chiến dịch chọn thời điểm tấn công vào 12 giờ trưa, khi giá rét đã dịu bớt. Ngày 24 tháng 1, trong khi các nhóm quân Đức ở khu vực Ostrogozhsk - Rossosh còn đang bị bao vây và tiêu diệt từng bộ phận thì Tập đoàn quân 13 (Phương diện quân Bryansk) của tướng N. P. Pukhov chỉ huy phát động tấn công từ hướng Bắc, Tập đoàn quân 40 tấn công từ phía Nam từ Rogovatoye - Kostenkovo (???) - Nikolskoye (???) hướng đến Semidesyaskoye - Gorodishche - Kastornoye. Chỉ sau 30 phút pháo binh bắn phá dọn đường, cả tuyến phòng ngự của quân Đức đã chìm trong làn đạn các cỡ. Xế chiều, các sư đoàn trượt tuyết đã đột kích sâu đến 8 km và các trận địa của Quân đoàn bộ binh 7 (Đức) tại đây đã không còn phòng tuyến liên tục. Cuối ngày, Tập đoàn quân 40 đã tiến đến Stary Oskol và Yastrebovka.[4]

Ngày 24 tháng 1, Tập đoàn quân 38 tấn công từ bàn đạp Terbuny và Tập đoàn quân 60 vượt sông Đông từ khu vực phía Bắc Voronezh. Cảm nhận được mối nguy hiểm, quân Đức bắt đầu rút lui về phía Tây nhưng giống như mùa đông 1941-1942 tại khu vực Moskva, bão tuyến đã làm chậm cuộc rút quân và buộc họ phải bỏ lại nhiều vũ khí hạng nặng. Cả hai tập đoàn quân 38 và 60 cùng tiến vào thành phố lúc 17 giờ chiều 25 tháng 1. Quân đoàn xe tăng 4 của tướng Andrei Grigorievich Kravchenko gặp khó khăn hơn cả do khi di chuyển trong tuyết, lượng tiêu thụ nhiên liệu tăng gấp đôi so với bình thường. Bộ chỉ huy chiến dịch dự định huy động Tập đoàn quân không quân 2 sử dụng hơn 30 máy bay PO-2 chở nhiên liệu tiếp tế cho quân đoàn, nhưng vì bão tuyết vẫn hoành hành cản trở máy bay hoạt động nên tướng A. G. Kravchenko phải dùng xe trượt tuyết do ngựa kéo để tiếp tế nhiên liệu cho các xe tăng.[1]

Cuối buổi chiều 24 tháng 1, Quân đoàn xe tăng 4 chỉ tiến được khoảng 16 km và dùng lại tại thị trấn Nizhni-Gniloye (???) để chờ bộ binh và xe ngựa chở nhiên liệu đang lội tuyết theo sau. Khi sư đoàn bộ binh cận vệ 25 đến nơi, tướng Kravchenko đã đưa tất cả sư đoàn này lên hơn 160 xe tăng của mình để tiến nhanh đến Staromelovoye và Novomelavoye. Trinh sát quân đoàn phát hiện các sư đoàn 323, 377 (Đức) và sư đoàn 6 (Hungary) đang chuẩn bị trận địa đánh chặn ở Novomelavoye. Tướng Kravchenko quyết định không chọn hướng tấn công trực diện mà thay vào đó, ông điều quân đi vòng qua khu phòng thủ này để đánh tập hậu. Bão tuyết đã che kín cuộc chuyển quân này và quân Đức hoàn toàn bị bất ngờ. Xe tăng Liên Xô xuất hiện đột ngột phía sau lưng đã làm cho hai sư đoàn Đức và sư đoàn 6 Hungary rơi vào hoảng loạn và các cuộc chống cự nhanh chóng bị dập tắt. Ngày 26 tháng 1, Quân đoàn xe tăng 4 và lữ đoàn xe tăng 150 (Tập đoàn quân 40) đã đột kích sâu đến Kastornoye, Lachinovo, đánh bật sư đoàn bộ binh 68 (Đức) khỏi Kastornoye về phía Đông và khép chặt vòng vây. Trong khu vực phía Đông Kastornoye có hơn 82.000 quân thuộc 8 sư đoàn quân Đức và 2 sư đoàn quân Hungary đã bị vây chặt.[4]

Tại cánh Bắc, 8 giờ 8 phút ngày 26 tháng 1, Tập đoàn quân 13 mở đầu cuộc tấn công bằng hỏa lực kéo dài 47 phút của các dàn pháo phản lực Katyusha và hơn 400 khẩu pháo, Ngay từ đầu, hỏa lực Katyusha đã phá hủy sân bay dã chiến của quân đoàn không quân 15 (Đức). Không có máy bay yểm hộ, các tuyến công sự phòng thủ của quân Đức gồm nhiều xe tăng chôn dưới đất kết hợp với các hỏa điểm súng máy bằng đất đắp đều tan hoang dưới hỏa lực pháo binh. 9 giờ sáng, trung đoàn xe tăng 19 bắt đầu đột phá cùng với quân đoàn bộ binh 48. Đến cuối ngày 26 tháng 1, cửa đột phá đã được khoan sâu từ 6 đến 7 km và rộng hơn 10 km. Ngày 27 tháng 1, tướng N. P. Pukhov tung lữ đoàn xe tăng 19 vào trận để tăng tốc độ tấn công nhằm bịt chặt hành lang còn lại của quân Đức chỉ còn rộng 16 km. Sau hai ngày tấn công, đến chiều 27 tháng 1, Tập đoàn quân 13 đã phá thủng tuyến phòng thủ của quân Đức có chiều sâu 20 km và mở rộng chính diện đột phá khẩu lên đến 25 km. Ngày hôm sau, một cụm quân Đức thứ hai bị bao vây và tiêu diệt tại khu vực Kshen, số tàn quân Đức còn lại khoảng 2 tiểu đoàn thoát khỏi vòng vây và vượt qua bờ Tây sông Tim.[2]

Ngày 30 tháng 1, Tập đoàn quân 38 tiếp cận chiến trường và phối hợp với 3 sư đoàn bộ binh độc lập được điều từ lực lượng dự bị bắt đầu trận đánh chia cắt và tiêu diệt đối phương trong vòng vây. Đến ngày 1 tháng 2, 7 sư đoàn Đức và 2 sư đoàn Hungary tại đây bị cắt thành ba nhóm. Nhóm thứ nhất gồm các sư đoàn bộ binh 57, 68 và 323 dưới sự chỉ huy của tướng Friedrich Siebert, tư lệnh Quân đoàn bộ binh 13. Nhóm thứ hai gồm tàn quân của các sư đoàn bộ binh 75, 340, 377 (Đức) và các sư đoàn bộ binh 6, 9 (Hungary) do tướng Helmuth Bekeman, tư lệnh sư đoàn bộ binh 75 chỉ huy. Nhóm thứ ba gồm tàn quân của các sư đoàn bộ binh 68, 26 và bộ chỉ huy Quân đoàn bộ binh 7 do tướng Frederick Golvittser chỉ huy. Các nhóm quân này đều chiến đấu quyết liệt để thoát khỏi vòng vây về phía Tây qua Goshechnoye và Tây Nam qua Stary Oskol. Tại khu vực này, vòng vây của quân đội Liên Xô khá mỏng với hai trung đoàn của sư đoàn bộ binh cận vệ 25 và lữ đoàn xe tăng 102 của Quân đoàn xe tăng 4. Ngày 31 tháng 1, tướng Chibisov đã điều động ba sư đoàn bộ binh 129, 167 và 240 sang khu vực Stary Oskol và Gorshechnoye để tăng độ dày của vòng vây. Trong tuyết rơi dày đặc, ba nhóm quân Đức đã hai lần cố gắng trong các ngày 3 và 8 tháng 2 nhằm tìm một "cửa sổ" xuyên qua hàng rào bộ binh Liên Xô để thoát vây nhưng đều thất bại.[2]

Ngày 10 tháng 2, bão tuyến đã ngưng hẳn và Tập đoàn quân 38 mở một cuộc tổng tấn công để thanh toán các nhóm tàn quân của 8 sư đoàn Đức và 2 sư đoàn Hungary trong vòng vây. Ngay trong nửa buổi sáng, sư đoàn bộ binh 240 (Đức) đã bị xóa sổ. Không quân Đức đã thực hiện hơn 200 phi vụ ném bom và tiếp tế đạn dược giúp cho các nhóm tàn quân cố gắng thoát ra nhưng đã bị Tập đoàn quân không quân 2 (Phương diện quân Bryansk) ngăn chặn. Đến cuối ngày 14 tháng 2, 57.000 quân Đức và 12.000 quân Hungary trong vòng vây hạ vũ khí và bị bắt làm tù binh sau khi đã chống cự đến viên đạn cuối cùng. Chỉ có khoảng 6.000 đến 7.000 quân Đức chạy thoát về Kursk.[1]

Theo kế hoạch thì đến ngày 30 tháng 1, chiến dịch sẽ kết thúc với việc đánh chiếm Kastornoye. Tuy nhiên, đến ngày 26 tháng 1 thì chẳng những thành phố này đã bị quân đội Liên Xô đánh chiếm mà hầu hết Tập đoàn quân 2 Đức và 2 sư đoàn Hungary cũng bị tiêu diệt hoặc bị bắt là tù binh tại "cái chảo" Gorshechnoye - Kastornoye. Căn cứ theo báo cáo của tướng F. I. Golikov về việc quân Đức đang rút chạy, Bộ Tổng tư lệnh quân đội Liên Xô lập tức mở rộng mục tiêu chiến dịch, triển khai các đòn tấn công vào Kolpny, Maloarkhangensk phát triển đến Fatezh, không cho quân Đức trụ lại trên tuyến sông Tim và sớm đánh chiếm Kursk, cắt đứt con đường sắt từ Bryansk đi Kharkov từ phía Bắc. Tư lệnh các tập đoàn quân 13, 40 và 60 đều nhất trí rằng với đà suy sụp rất nhanh của Tập đoàn quân 2 (Đức) trên tuyến Starobelsk (???) - Kastornoye, có thể mở ngay các trận tấn công mới mà không cần trinh sát chiến dịch vì tại cửa đột phá rộng đến 120 km phía Đông Kursk, quân Đức chỉ còn một sư đoàn bộ binh (sư đoàn 88) và nhóm tàn quân (không quá 2 tiểu đoàn) thuộc Quân đoàn bộ binh 3 (Hungary) [15]

Thống chế Maximilian von Weisch buộc phải điều sư đoàn xe tăng 4 đang chờ cấp thêm phương tiện để củng cố và là lực lượng dự bị cuối cùng của ông ta từ Kharkov lên giữ Kursk. Cả sư đoàn này chỉ còn lại hơn 80 xe tăng còn hoạt động được. Tuy nhiên lực lượng này quá mỏng để chống lại các tập đoàn quân 40 và 60 (Liên Xô) đang hướng đòn tấn công vào khu vực Kursk. Ở cánh Bắc, tập đoàn quân 13 cũng mở cuộc tấn công mới vào Oryol. Ngày 29 tháng 1, các tập đoàn quân 40 và 60 cùng Quân đoàn xe tăng 4 được lệnh để nhóm quân Đức - Hungary bị vây lại cho Tập đoàn quân 38 giải quyết và tiếp tục tiến về phía Tây. Mặc dù mật độ xe tăng Liên Xô tại khu vực đột phá thấp (chỉ có 8 chiếc trên 1 km) nhưng trước sức chống cự yếu ớt của sư đoàn xe tăng 4 (Đức), Tập đoàn quân 60 có Quân đoàn xe tăng 4 (Liên Xô) yểm hộ vẫn đột phá được vào Kursk và chiếm thành phố này ngày 8 tháng 2 năm 1943.[1]