В течение первых пяти дней операции, с 24 по 28 января, войска Брянского и Воронежского фронтов прорвали оборону противника и развивали наступление в глубину. Своеобразной традицией как «наступления богов», так и других операций зимы 1942–1943 гг. стала плохая погода, затруднившая артиллерийскую подготовку и лишившая советские войска поддержки с воздуха. С утра 24 января бушевала метель, видимость была крайне ограниченной. В надежде на то, что метель несколько утихнет, начало артиллерийской подготовки с предрассветных часов перенесли на 12 часов дня. Однако метель не унималась, и независимо от погоды было решено начать артиллерийскую подготовку в 12.30. Как и следовало ожидать, плохая видимость существенно снизила эффективность огня артиллерии. Положение в полосе 40-й армии спасал только тот факт, что оборона на этом направлении была наспех занятой, и на ее оборудование у немецких войск были считаные дни. Одновременно с пехотой начал наступление 4-й танковый корпус, с трудом пробивавшийся через снежные заносы. За день корпус смог преодолеть только 16 км вместо запланированных 35 км. Стрелковые дивизии 40-й армии смогли продвинуться только на 3–6 км или даже вели бой, не продвинувшись ни на йоту от исходных позиций.
На следующий день удачное решение принял командир 4-го танкового корпуса А.Г.Кравченко. Проанализировав данные разведки, он выявил слабое место в обороне противника и выбрал его как направление следующего удара. Благодаря этому корпусу удалось неожиданно прорваться к Горшечному и с ходу ворваться в этот населенный пункт. Далее по плану корпус А.Г.Кравченко должен был наступать на Касторное. Но, преодолевая глубокий снег, в первые два дня операции танки израсходовали много горючего, а колонны автомашин с горючим застряли в пути из-за снежных заносов. Продолжение операции было возможно только после дозаправки. Однако прорыв на Горшечное обеспечил успех стрелковых соединений 40-й армии, продвинувшихся 25 января на 6—18 км. Обнаружив начавшийся отход противника из Воронежа, перешли в наступление и полностью овладели городом войска 60-й армии.
В 8.08 26 января долго остававшийся пассивным участок фронта 13-й армии был освещен огненными шлейфами с визгом проносившихся над заснеженными позициями снарядов «катюш». Вслед за залпом РС загрохотала артиллерия. В 8.55 на позиции немцев обрушились бомбы самолетов 15-й воздушной армии. Пока штурмовики и бомбардировщики перепахивали позиции артиллерии и передний край обороны немцев, танки с десантом автоматчиков начали проходить через боевые позиции пехоты. К наступлению присоединился Брянский фронт. К исходу 26 января оборона противника была прорвана наступающими на глубину 6–7 км, что соответствовало задаче первого дня наступления. В тот же день войска 40-й армии продвинулись еще на 10 км. Однако у противника за спиной еще оставался почти 60-километровый коридор для выхода из-под угрозы окружения на запад.
Быстро замкнуть кольцо окружения можно было только подвижными соединениями. В течение 26 января 4-му танковому корпусу горючее доставлялось в район Горшечного самолетами У-2. Бипланы У-2 в Красной Армии были таким же незаменимым самолетом, как и Ю-52 в вермахте. Благодаря этому с утра 27 января корпус А.Г.Кравченко перешел в наступление из района Горшечного в направлении на Касторное. К исходу дня передовой отряд корпуса (танковая бригада с десантом автоматчиков) вышел на южные подступы к Касторному. Одновременно корпусом были перехвачены пути отхода противника на юго-запад. Пытавшиеся пробиться в этом направлении группы и колонны были встречены огнем танков и вынуждены были искать другие пути для бегства из образующегося «котла». Следовавшая по пятам 4-го танкового корпуса 25-я гвардейская стрелковая дивизия 27 января вышла в Горшечное и заняла перекрестки дорог в этом районе.
Тем временем с севера кольцо окружения постепенно смыкал Брянский фронт. К исходу 27 января 13-я армия преодолела оборону противника на глубину до 20 км, расширив прорыв до 25 км. Следует отметить активное участие в боевых действиях авиации Брянского фронта, выполнившей 457 самолето-вылетов. 28 января к Касторному вышли с севера 118-я танковая бригада 13-й армии, с востока — 180-я танковая бригада 38-й армии, а к южной окраине города подошли части 4-го танкового корпуса. Совместными усилиями войск двух фронтов к утру 29 января была захвачена большая часть города. Трофеями советских войск в Касторном стало большое количество автомашин с различным имуществом.
С захватом Касторного и выходом стрелковых соединений 40-й армии в район Горшечного основные пути отхода воронежско-касторненской группировки противника. Однако к этому моменту фронт окружения еще не был сплошным. Между 4-м танковым корпусом и 25-й гвардейской стрелковой дивизией был 25-километровый разрыв, сама 25-я дивизия занимала фронт 50 км и отстояла от своего соседа на 15–18 км.