14 января перешли в наступление войска 18-го стрелкового и 3-й танковой армии. На участке прорыва 18-го корпуса артиллерия сумела также надежно подавить вражескую оборону. Командование корпуса признало результаты стрельбы группы артиллерии дальнего действия отличными. Корпус начал быстро развивать успех в глубину, навстречу войскам 40-й и 3-й танковой армий.
Справедливости ради нужно также сказать, что в ходе удачно развивающейся операции были недостатки в боевом применении артиллерии. Так, на участке прорыва 3-й танковой армии в результате неудовлетворительно проведенной разведки и недостатков планирования огня, а также из-за плохих условий наблюдения подавить систему огня противника в период артиллерийской подготовки не удалось. Вследствие этого войска армии, перешедшие в наступление, встретили упорное сопротивление. Низкие темпы прорыва вынудили командующего армией с целью быстрейшего завершения прорыва главной полосы обороны противника ввести в сражение танковые корпуса. Это решило исход борьбы.
Сломив сопротивление немецких войск, подвижные соединения 3-й танковой армии устремились в глубину. К 18 января 15-й танковый корпус установил связь с войсками 40-й армии в районе Алексеевка, а 12-й танковый корпус — с войсками 18-го стрелкового корпуса в районе Каменка. Группировки противника в районе Острогожск и Россошь были окружены.
В последующем нашим частям пришлось вести ожесточенные бои с большими группами врага, пытавшимися пробиться из окружения на запад. Во многих случаях исход боя зависел от смелых и инициативных действий артиллеристов.
Сильное сопротивление оказала группировка немецких войск, окруженная в Острогожске. Чтобы ускорить ее ликвидацию, по решению командования 40-й армии к городу была подтянута 10-я артиллерийская дивизия. Пушечные и гаубичные полки дивизии открыли сосредоточенный огонь по важнейшим опорным пунктам в городе, а легкие полки поддерживали наступление пехоты, перемещаясь в ее боевых порядках. Действия артиллерии в значительной степени способствовали взятию Острогожска нашими войсками.
Так как сплошной фронт окружения противника отсутствовал, его отдельным группам удавалось все же отходить на запад. Но они перехватывались небольшими отрядами наших войск, усиленными артиллерией, и уничтожались.
К 27 января войска фронта в основном закончили ликвидацию окруженного противника.
Из опыта первых наступательных операций С.С. Варенцов отчетливо уяснил требования, предъявляемые к организации боевого применения артиллерии: детальная разведка обороны противника; решительное массирование артиллерии и создание высокой плотности ее на участках прорыва; четкое планирование действий артиллерии на всю глубину наступления; создание устойчивой и легко-управляемой группировки артиллерии, обеспечивающей непрерывное взаимодействие ее с пехотой и танками; смелый и быстрый маневр артиллерии и широкое применение массированного огня на всех этапах наступления.
Этим требованиям С.С. Варенцов следовал неукоснительно до конца войны и стал одним из ярких артиллеристов-военачальников.
Разгром острогожско-россошанской группировки противника создал благоприятную обстановку для нанесения ударов по флангам и тылу 2-й немецкой армии, оборонявшейся в районе Воронежа. Чтобы не дать противнику возможности отвести 2-ю армию го образовавшегося мешка, Ставка ВГК еще в ходе завершения Острогожско-Россошанской операции, без всякой оперативной паузы, развернула новую Воронежско-Касторненскую операцию. 20 января Ставка приказала войскам Брянского и Воронежского фронтов провести совместную наступательную операцию с целью освобождения важных узлов дорог Воронежа и Касторное, создания условий для наступления Красной армии на Курском и Харьковском направлениях. Для этого они должны были ударами с севера и юга — по сходящимся направлениям на дальних флангах дуги — окружить и уничтожить находящиеся внутри ее главные силы 2-й немецкой армии.
Начало наступления было намечено на 24–26 января. В соответствии с замыслом Ставки командующий Воронежским фронтом генерал-полковник Ф.И. Голиков решил осуществить прорыв на трех участках.
Главный удар фронта наносила 40-я армия из района Роговатое в направлении Горшечное — Касторное. Там ей и предстояло соединиться с 13-й армией Брянского фронта, тем самым замкнуть кольцо вокруг вражеской группировки войск. Кроме того, 40-й армии было приказано частью сил наступать на Старый Оскол, Ястребовку с целью создания внешнего фронта окружения и обеспечения с запада левого крыла фронтовой ударной группировки.
38-я армия должна была нанести отсекающий удар на Нижнюю Ведугу. Навстречу ей предстояло наступать 60-й армии. Ее задача состояла в том, чтобы частью сил сковать вражеские войска в районе Воронежа. Для активных действий она получила от 40-й армии 22-километровый участок фронта на правом берегу Дона от Костенки до населенного пункта Семидесятское. Вместе с ним в состав 60-й армии были переданы и находившиеся на этом рубеже не-сколько соединений.