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.