Командир дивизии «Кунеэнзе», попавший в плен, рассказывал позднее: «С 17 января никаких приказов… я не получал. Связи как с корпусом, так и с другими дивизиями не было. Дивизия все время вела бои с превосходящими силами русских танков и мотопехоты, против которых не имела противотанковых средств, так как при отходе с Дона большая часть артиллерии была оставлена на месте».
15-й танковый корпус после освобождения населенного пункта Еремовка продолжал наступать в направлении Мартыновцы, Шелякино. Но поскольку все силы 12-го танкового корпуса были нацелены на Россошь, утром 16 января командарм приказал 15-му танковому корпусу наступать в направлении Гирлы, Приходин и овладеть Ольховаткой.
Оборонявший Ольховатку сильный гарнизон противника оказал корпусу упорное сопротивление. Тогда комкор генерал Копцов послал группу танков с автоматчиками в обход Ольховатки с запада. Группа с ходу овладела Марьевкой. С падением этого населенного пункта вражеский гарнизон Ольховатки, опасаясь окружения, начал отходить на северо-запад. К исходу 16 января Ольховатка была освобождена, хотя очищение ее от отдельных вражеских групп продолжалось до 7 часов 17 января. В ходе боев за нее было уничтожено до 500 и пленено до 2 тысяч немцев, захвачено большое количество автомашин и 300 повозок.
В бою за Ольховатку особенно отличился личный состав 52-й мотострелковой бригады под командованием подполковника A. Л. Головачева. Моряки, которыми была укомплектована эта бригада, отважно сражались с врагом, проявляя при этом мужество и героизм.
Вслед за танковыми корпусами наступали стрелковые дивизии. 180-я стрелковая дивизия генерал-майора И. Я. Малошицкого и 173-я танковая бригада генерал-лейтенанта танковых войск В. А. Мишулина разгромили противника в районе Митрофановки и к исходу 16 января вошли в Россошь, 37-я стрелковая бригада овладела Морозовкой (5 км северо-восточнее Митрофановки), прикрыв правый фланг армии от ударов противника с востока. 48-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора И. М. Маковчука с 179-й танковой бригадой полковника Ф. Н. Рудкина двигалась на Ольховатку, а 184-я стрелковая дивизия полковника С. Т. Койды наступала на северо-запад.
Успешно развивалось наступление и на левом фланге армии. Утром 15 января в сражение был введен 7-й кавалерийский корпус генерал-майора С. В. Соколова. Не встречая на своем пути серьезного сопротивления, корпус к исходу 16 января сломил сопротивление 5-й итальянской дивизии и овладел Нагольной и Ровеньки.
В ночь на 17 января армия возобновила наступление. Бушевала метель. Дорога на Подгорное, по которой предстояло двигаться главным силам 12-го танкового корпуса, была занесена снегом и стала непроходимой. Корпус вынужден был наступать на Каменку через населенный пункт Постоялый, где имелась расчищенная противником дорога. Громя на своем пути тылы противника и его отдельные группы, 106-я танковая бригада, в командование которой вступил полковник И. М. Дагилис, к утру 18 января освободила Татарино. Главные силы корпуса к утру 19 января овладели поселком Карпенково.
К этому времени в корпусе в строю имелось только 44 танка. Поэтому, выйдя на рубеж Карпенково, Татарино, он перешел к обороне, отражая непрерывные атаки вражеских войск, стремившихся прорваться на запад, чтобы избежать окружения. Утром 20 января к Карпенково с северо-востока подошла 192-я танковая бригада, а вслед за ней и 161-я стрелковая дивизия 18-го стрелкового корпуса, которым командовал генерал-майор П. М. Зыков. В результате соединения 12-го танкового и 18-го стрелкового корпусов у Карпенково была окружена россошанская группировка врага, в состав которой входили итальянский альпийский корпус, 7-й венгерский корпус и остатки 24-го танкового корпуса вермахта. В окружение попало 8 дивизий: 4 итальянские, 2 немецкие и 2 венгерские.
Успешно наступал и 15-й танковый корпус. В 18 часов 17 января его 88-я танковая бригада (20 танков) под командованием полковника И. И. Сергеева ворвалась в Алексеевку.
Но тут последовала контратака превосходящих сил врага, и бригада, не располагая необходимым количеством пехоты, вынуждена была отойти на южную окраину города. Только с подходом 52-й мотострелковой бригады полковника Л. А. Головачева сопротивление противника было сломлено, и к 15 часам 19 января корпус овладел Алексеевкой. Было пленено 4030 вражеских солдат и офицеров, захвачено 700 автомашин, 300 повозок, 9 железнодорожных эшелонов с грузами.
Алексеевка являлась крупным узлом дорог на направлении отхода острогожской группировки противника. Поэтому немцы вскоре подтянули новые силы и начали контратаковать бригады 15-го танкового корпуса, намереваясь выбить их из города. Отразив натиск врага, корпус возобновил наступление и 21 января соединился с 305-й стрелковой дивизией полковника А. П. Крутихина из 40-й армии генерала К. С. Москаленко. Соединившись, войска 15-го танкового корпуса и 40-й армии завершили окружение острогожской группировки противника в составе пяти дивизий.
180-я стрелковая дивизия совместно с 173-й отдельной танковой бригадой и 62-й гвардейской стрелковой дивизией вели бой с противником восточнее Россоши, преграждая ему путь к городу. 179-я танковая бригада с одним полком 48-й гвардейской стрелковой дивизии составляла гарнизон Ольховатки. Главные силы 48-й гвардейской стрелковой дивизии в районе Варваровки вели бои с противником, отходившим на запад. Остальные стрелковые дивизии, не встречая сопротивления врага, наступали на запад.
В эти дни дерзко и решительно действовал 7-й кавалерийский корпус. 19 января он атакой с ходу овладел Валуйками, а 20 января — Уразово. Развивая наступление, 156-й кавалерийский полк, усиленный танковой ротой 201-й танковой бригады, утром 22 января овладел Волоконовкой. В боях за эти города корпус разгромил 5-ю альпийскую горную дивизию итальянцев и 619-й гренадерский полк, а также вражеские тыловые части и учреждения. Противник потерял свыше 2 тысяч человек убитыми, около 5 тысяч человек были взяты в плен. Корпус захватил несколько десятков исправных самолетов, 98 орудий, 8 паровозов, большое количество автомашин, много различных складов и военного имущества. Овладев Валуйками и Уразово, корпус прикрыл главные силы танковой армии от ударов противника с запада и лишил его возможности пользоваться рокадной железнодорожной магистралью. За успешные действия в операции он был преобразован в 6-й гвардейский кавалерийский корпус.
Как уже отмечалось, с выходом 12-го танкового и 18-го стрелкового корпусов в район Карпенково было завершено окружение россошанской группировки противника. Однако из-за того, что большая часть стрелковых дивизий танковой армии наступала в западном направлении, фронт окружения не был сплошным. Пользуясь этим, враг начал отход на запад, главным образом через Подгорное на Постоялый. Чтобы не дать противнику вырваться из окружения, командующий танковой армией в ночь на 19 января бросил навстречу ему свой резерв — 113-ю и 195-ю танковые бригады, которые к этому времени находились в Россоши, имея в строю по 8–10 танков. К утру 19 января танковые бригады, которыми командовали полковники А. Г. Свиридов и С. В. Леви, пройдя Постоялый, вышли в район населенного пункта Большое Скорорыба и южнее его. Но они не смогли сдержать многотысячные колонны врага и вынуждены были отойти к поселку Постоялый.
Отступление итальянского альпийского корпуса длилось 15 дней. Огромные толпы людей разных национальностей, страдая от холода и голода, двигались на запад. Они шли через степь, покрытую снегом, по дорогам, забитым брошенными автомашинами и повозками. Куда бы ни направлялись альпийцы, они неизменно натыкались на советские войска или партизан, под ударами которых колонны отступавших редели. Этот марш окончился в Шебекино, более чем за 300 км от Дона. Из 57 тысяч человек, попавших в окружение, едва удалось вырваться 27 тысячам. Во время отступления альпийский корпус потерял 90 % лошадей и мулов, 99 % автосредств, 100 % артиллерии, автоматического оружия и материальной части.
20 января в район прорыва россошанской группировки противника стали прибывать полки 180-й стрелковой дивизии Красной Армии, но и они не смогли сдержать натиск превосходящих сил врага. 21 января для борьбы с прорывавшимися войсками противника командарм бросил 62-ю гвардейскую и 160-ю стрелковые дивизии генерал-майора Г. М. Зайцева и полковника Э. Ж. Седулина. Эти дивизии 6-й армии 20 января были переподчинены 3-й танковой армии. Однако нескольким вражеским колоннам удалось вырваться из окружения.
С окружением россошанской и острогожской группировок противника 3-я танковая армия получила задачу — частью сил во взаимодействии с 18-м отдельным стрелковым корпусом завершить уничтожение окруженной россошанской группировки противника, а главные силы, в первую очередь танковые корпуса, перегруппировать в район Валуек в готовности с утра 27 января перейти в наступление на Харьков.
