Командарм-40 вместо разведки решил предпринять натуральное наступление с задачей не просто выяснить начертание вражеского переднего края, но захватить опорные пункты противника и создать условия для дальнейшего продвижения вперед. Не посвящая в подробности штаб фронта, генерал Москаленко приказал четырем дивизиям первого эшелона занять исходные районы и в полдень, после часовой артподготовки, нанес сильный удар передовыми батальонами, поддержанными двумя танковыми бригадами и штурмовой авиационной дивизией. Венгерская 7-я пехотная дивизия дрогнула и, оставив занимаемые рубежи, в беспорядке отступила более чем на три километра.
На следующий день после еще более мощной артиллерийской подготовки (после ее окончания бойцы шли в атаку в полный рост) в двухэшелонном построении двинулись на запад главные силы 40-й армии — 25-гвардейская, 141, 107, 340-я и 305-я стрелковые дивизии, 253-я стрелковая бригада, укомплектованная курсантами военных училищ, 86, 116, 150-я танковые бригады — 133 танка). В третьем эшелоне находились еще две дивизии, составлявшие резерв фронта. Им противостояли три пехотные дивизии венгров (6, 20, 7-я), которые стали отступать чуть ли не с первых минут боя. К исходу 14 января их оборона была прорвана на 50 км по фронту и на 17 км в глубину. Еще через сутки в полосе 2-й венгерской армии зияла 100-километровая брешь, в которую хлынули советские войска.
С утра 14 января перешли в наступление южная и центральная группировки, а также 6-я армия генерал-майора Ф.М. Харитонова.
18-й отдельный стрелковый корпус (309, 161, 219-я стрелковые дивизии, 129-я стрелковая и две танковые бригады) к исходу 15 января также преодолел тактическую зону обороны 7-го венгерского корпуса (12, 19, 23-я пехотные дивизии) и начал «сворачивать» ее в обе стороны и одновременно развивать прорыв в глубину.
Атака стрелковых дивизий, следовавших в первом эшелоне 3-й танковой армии, была отбита немцами, но ввод в бой трехсот танков 12-го и 15-го корпусов резко изменил обстановку. К вечеру танкисты продвинулись на 12–23 км, разгромив в районе Жилина штабы 24-го танкового корпуса, 385-й и 387-й пехотных дивизий, и с утра 15 января развернули наступление в северном и северо-западном направлениях. 106-я танковая бригада ворвалась в Россошь, к крайнему удивлению обосновавшегося в городе и ни о чем не подозревавшего штаба Альпийского корпуса.
7-й кавалерийский корпус взял курс на Ровеньки, Валуйки.
16 января 12-й танковый корпус почти беспрепятственно продвигался в глубокий тыл итальянских войск и частей 24-го танкового корпуса, отступавших за реку Черная Калитва. 15-й танковый корпус стремительным броском овладел Ольховаткой и выходил к Алекссевке с юга.
17 января левофланговые дивизии армии Москаленко достигли района Острогожска, где встретились с частями 18-го стрелкового корпуса, а к исходу 18 января 305-я стрелковая дивизия 40-й армии и 15-й танковый корпус соединились в районе Иловайское — Алексеевка. «Котел» замкнулся. К этому времени 12-й танковый корпус вышел в район Карпенково и установил связь с пехотой генерала Зыкова, расчленив окруженную группировку противника на две части.
Одновременно создавался внешний фронт окружения. На севере он был образован правофланговыми соединениями 40-й армии, на юге — 7-м кавалерийским корпусом, соединения которого 19 января овладели важным железнодорожным узлом Валуйки, захватив в неприкосновенности богатые продовольственные склады. К этому времени 6-я армия, отбрасывая арьергарды противника, вышла на реку Айдар.