К 4 февраля войска 3-й гвардейской армии вышли на подступы к Ворошиловграду. Решив во что бы то ни стало удержать город, враг прикрыл его тремя оборонительными рубежами. Первый из них проходил с севера на юг в 20–30 км восточнее и юго-восточнее Ворошиловграда, второй — примерно на удалении 10–15 км от первого по р. Луганчик (приток Северного Донца) и третий — на окраинах города. Немецко-фашистское командование считало, что подступы к городу надежно оборудованы и прикрыты войсками и что с помощью непрерывно подбрасываемых из глубины резервов ему удастся не только остановить наступление советских войск, но и отбросить их за Северный Донец.
Войскам 3-й гвардейской армии предстояло освободить от врага большой старинный украинский город, один из основных промышленных центров Донбасса, награжденный после гражданской войны (в 1924 г.) орденом Красного Знамени и имеющий богатые революционные традиции. Командующий армией решил силами трех стрелковых дивизий и двух танковых корпусов нанести охватывающий концентрический удар в районе Ворошиловграда, окружить и уничтожить противника и освободить город. С этой целью 59-й гвардейской стрелковой дивизии было приказано наступать на восточную окраину города, увязав свои действия с соседней 58-й гвардейской стрелковой дивизией 1-й гвардейской армии, наступавшей на город с севера; 243-я стрелковая дивизия наносила удар с юго-востока, а 279-я — с юга. Вместе с этими соединениями наступали 2-й гвардейский и 2-й танковые корпуса. Части 14, 61 и 50-й гвардейских стрелковых дивизий обеспечивали действия этих сил с юго-запада. Войска, находившиеся в центре боевого порядка армии (1-й гвардейский механизированный корпус и 266-я стрелковая дивизия), получили задачу развивать наступление на юг, а войска левого фланга армии (60-я гвардейская и 203-я стрелковые дивизии) должны были во взаимодействии с войсками 5-й танковой армии овладеть Каменском и потом наступать на юго-запад.
В ночь на 5 февраля с целью достижения внезапности наши соединения без артиллерийской подготовки возобновили наступление. Части 279-й стрелковой дивизии неожиданно для противника прорвали его оборону и, широко применяя маневр, в первой половине 6 февраля завязали бои в 500–700 м от южной окраины города. К вечеру туда подошли передовые подразделения 2-го танкового корпуса. Однако части 59-й гвардейской, 243-й стрелковых дивизий и 2-го танкового корпуса не смогли поддержать успех 279-й стрелковой дивизии, так как они встретили упорное сопротивление на рубеже р. Луганчик и продолжали вести там напряженные бои. В ночь на 8 февраля до 60 танков и бронетранспортеров и до батальона вражеской пехоты снова захватили ряд населенных пунктов и окончательно перерезали коммуникации частей, действовавших под Ворошиловградом.
Три дня в отрыве от основных сил армии вела бои 279-я стрелковая дивизия. Чтобы оказать ей помощь, командующий ввел в сражение 8-й кавалерийский корпус, придав ему батарею истребительно-противотанкового полка, артиллерийский полк ПВО и отдельный гвардейский минометный дивизион. Ему была поставлена задача во взаимодействии со стрелковыми и танковыми соединениями овладеть Ворошиловградом. В дальнейшем корпус должен был действовать по тылам противника в направлении Дебальцево.
К 10 февраля, после шестидневных напряженных боев на втором оборонительном рубеже противника, подошла к городу 59-я гвардейская стрелковая дивизия. Она вела бои на северо-восточной окраине Ворошиловграда. В это же время к городу вышли части 8-го кавалерийского корпуса. В течение дня они вместе с 279-й стрелковой дивизией предприняли несколько атак на южной и юго-западной окраинах Ворошиловграда. Но все попытки их овладеть городом оказались безуспешными. Враг упорно сопротивлялся, неоднократно переходил в решительные контратаки. В этих условиях командарм приказал 8-му кавалерийскому корпусу наступать в юго-западном направлении и к исходу 12 февраля овладеть городом Дебальцево, соединиться с войсками 1-й гвардейской армии и перерезать важнейшие коммуникации немецко-фашистских войск в Донбассе.
12 февраля командующий фронтом приказал войскам 3-й гвардейской армии продолжать наступление в общем направлении на Сталино. Противник оказывал нашим частям упорное сопротивление и стремился во что бы то ни стало не допустить их в центр Донбасса. Особенно большое значение враг придавал удержанию Ворошиловграда. Поэтому наиболее ожесточенные бои разгорелись в этом районе.