В восемь часов утра после десятиминутного огневого налета артиллерии по переднему краю и ближайшей глубине вражеской обороны войска 2-й гвардейской армии перешли в решительное наступление.
Находясь в левофланговом корпусе, генерал Бирюзов внимательно всматривался в картину развивающегося сражения. Как он и предполагал, противник яростно отстаивал рубежи, достигнутые столь дорогой ценой в предыдущие дни. Контратакуя пехотой и танками во взаимодействии с артиллерией и авиацией, враг отчаянно сопротивлялся, особенно в самой Васильевке. Там разгорались ожесточенные рукопашные схватки. Рассыпавшись по переулкам, дворам и домам Васильевки, бойцы 3-й и 49-й гвардейских стрелковых дивизий штыками, гранатами и ножами уничтожали вражеских солдат и офицеров. Те, однако, остервенело цеплялись за этот важный опорный пункт, гарнизон которого еще вчера вечером мог наблюдать зарево близкого сражения на внутреннем фронте окружения под Сталинградом.
В течение нескольких часов напряженного боя Васильевка была освобождена. Оставив на ее улицах и в предместьях свыше пятисот трупов своих солдат и офицеров, а также двадцать врытых в мерзлую землю танков, противник начал отходить на юг. И с других участков поступали донесения, свидетельствовавшие о том, что противник во всей полосе армии начал поворачивать вспять. Бирюзов попросил разрешения командарма на ввод в бой 2-го гвардейского и приданного армии 7-го гвардейского механизированного корпусов. Лично убедившись, как могучим потоком устремились они во фланг и тыл отступающего противника, уже поздно вечером с большим удовлетворением подписал оперативную сводку. Она начиналась словами:
«С утра 24 декабря войска армии главными силами перешли в наступление... Огнем артиллерии и минометов противник пытается задержать наступление наших войск, но всюду сметается с пути. Набирая темпы и развивая успех, гвардейцы стремительно продвигаются вперед...»
Много лет спустя после окончания войны Бирюзов прочел оценку этого дня бывшим командующим группой армий «Дон» фельдмаршалом Манштейном: «Итак, теперь и на фронте восточнее реки Дон пробил час, когда инициатива перешла в руки противника».
Таким образом, попытка немецко-фашистского командования деблокировать армию Паулюса завершилась полным провалом ее организаторов и блестящей победой 2-й гвардейской армии, у оперативного штурвала которой находился Сергей Семенович Бирюзов.
Как и в первые недели войны, когда он командовал дивизией, так и сейчас, в период боев по разгрому Манштейна, Бирюзов внимательно изучал тактику врага, анализируя успехи и неудачи своих войск. Снова и снова считает он своей обязанностью прислушиваться внимательно к бывалым солдатам и офицерам переднего края.
Однажды довелось ему случайно услышать разговор двух бойцов.
— Я тебе кричу: бей по дальним, — горячился один, — а ты по ближним лупишь!
— Стрелял так, чтобы не дать им к траншеям нашим подползти, — возражал другой.
— Так у траншей-то мы их из автоматов достанем, а вот на дальних дистанциях ты их должен из своего пулемета бить, — продолжал первый.
Этот разговор запал в душу Бирюзова. В течение нескольких дней мысленно он возвращался к нему. «Видимо, не все в порядке в войсках с распределением целей, с взаимодействием огневых средств. Надо бы проверить, научить». Доложил Малиновскому, тот одобрил. Разослали в войска представителей штаба, выяснили картину: оказалось, действительно, в ряде частей взаимодействие пулеметчиков и автоматчиков хромало. Срочно были приняты меры, и положение выправилось.
В апреле 1943 года генерал Бирюзов был назначен начальником штаба Южного фронта (так с 1 января 1943 года стал называться бывший Сталинградский фронт). Здесь судьба свела его с замечательным советским полководцем генерал-полковником (впоследствии Маршалом Советского Союза) Федором Ивановичем Толбухиным, который незадолго до этого вступил в командование Южным фронтом. Их боевое сотрудничество, начавшееся на донецкой земле, продолжалось до конца войны.
Бирюзов стал ближайшим помощником командующего фронтом, умело претворял его замыслы и волю в боевые дела войск. «Мы настолько сработались, что стали понимать друг друга с полуслова», — вспоминал впоследствии Сергей Семенович. Однако, прежде чем это произошло, молодому начальнику штаба фронта предстояло доказать, в первую очередь самому себе, что ему по плечу порученная работа более широкого масштаба, нежели прежняя.
Бирюзов принял фронтовой штаб в период, когда на советско-германском фронте назревали крупные события. Еще весной советской разведке стало известно о готовящемся наступлении немецко-фашистских войск под Курском. Толбухин сразу же ввел своего нового начальника штаба в задачи, которые предстояло решать войскам фронта в ближайшее время.