Наступление советских войск на Воронеж было тщательно подготовлено. Основной удар наносился Конным корпусом Буденного с севера и северо-запада. Здесь действовали 4-я кавалерийская дивизия и отдельная кавалерийская бригада. С востока готовилась наступать 6-я кавалерийская дивизия. Она наносила вспомогательный удар, но должна была демонстративными действиями внушить противнику, будто здесь наносится главный удар. К тому же, по просьбе С. М. Буденного, Воронежский ревком организовал на виду у белых восстановление железнодорожного моста у станции Отрожка — северо-восточнее Воронежа. Отрожские рабочие выполняли боевое задание под пулеметным огнем, рискуя жизнью. Все это создало у белогвардейцев впечатление, что основной удар советских войск готовится восточнее Воронежа. Сюда и были стянуты главные силы врага.
Тем временем Конный корпус Буденного и части 8-й армии заканчивали последние приготовления к штурму. Большую помощь им оказали местные жители. Ночью накануне наступления в штаб 6-й кавалерийской дивизии явились крестьяне-рыбаки из поселка Придача, занятого белыми. Они сообщили важные сведения о силах белогвардейцев и показали удобные переправы через реку. Крестьяне доставили красноармейцам лодки. К вооруженному выступлению против белых готовились и рабочие Воронежа. 23 октября наступление началось. Вместе с частями Красной Армии участвовали в бою отряды коммунистов и беспартийных рабочих.
Спешенные бойцы 6-й кавалерийской дивизии, действуя плечом к плечу со стрелками 12-й стрелковой дивизии 8-й армии, демонстрировали лобовую атаку на город. Враг ответил шквальным пулеметным и артиллерийским огнем. Опасаясь прорыва, Шкуро подтягивал к городу новые части, обнажая и без того слабый левый фланг своего корпуса. Между тем, именно по этому флангу буденновцы и собирались нанести главный удар.
С помощью местных рыбаков в ночь на 24 октября переправились через приток реки Воронеж два полка 6-й кавалерийской дивизии. На рассвете они внезапно атаковали вражеские части в поселке Придача. Среди белогвардейцев поднялась неописуемая паника. Используя замешательство противника, советские войска ворвались на восточную окраину города и завязали уличные бои.
Успешно развертывалось наступление и с севера. 4-я кавалерийская дивизия с частью сил 21-й отдельной железнодорожной бригады также переправилась через реку Воронеж в районе Рамони и развивала удар на Воронеж по шоссе со стороны Задонска. Внезапное появление советской конницы на окраинах города вызвало панику. Солдаты и офицеры, местная буржуазия и чиновники бросились на вокзал, штурмуя поезда. Одним из первых бежал только что назначенный воронежский генерал-губернатор князь Трубецкой.
Приближение советских войск к городу послужило сигналом для вооруженного выступления трудящихся Воронежа. Под руководством подпольной большевистской организации рабочие в ночь на 24 октября заняли вокзал и другие важные пункты. Вооруженные отряды рабочих отрезали противнику путь к отступлению по железной дороге.
Оказавшись под двойным ударом с севера и востока, белые окончательно потеряли способность к сопротивлению. Бросая артиллерию, пулеметы, обозы, противник в беспорядке и поспешно отступал за Дон. Советские войска стремительно преследовали остатки разбитых белогвардейских полков. Части 8-й армии и Конного корпуса захватили много пленных и трофеи: 7 орудий, до 160 пулеметов, 3 бронепоезда, 2 танка, 3000 винтовок и большое количество снарядов и патронов. На станции Воронеж был захвачен штабной поезд Шкуро. Сам он едва успел бежать из города на автомобиле.
24 октября Воронеж полностью был очищен от вражеских войск. С радостью встречали трудящиеся своих освободителей. В конце дня на площади III Интернационала состоялся многотысячный митинг. Трудящиеся благодарили Красную Армию за избавление от деникинского ига и обещали всеми силами помогать ей, чтобы добить врага до конца.
На следующий день Воронежский ревком объявил, что вся власть в городе и губернии принадлежит ревкому. Рабочие-железнодорожники по указанию ревкома немедленно приступили к восстановлению железнодорожных путей, мостов. Заработали фабрики, заводы, мастерские.
Разгромом белогвардейской конницы под Воронежем был нанесен непоправимый ущерб деникинцам. Они лишились лучших, наиболее боеспособных соединений. Помимо кавалерийских корпусов Шкуро и Мамонтова здесь были разгром лены Тульская пехотная дивизия, 2-я Донская казачья дивизия и отдельная пехотная бригада.
Крупный успех был достигнут также к югу от Воронежа. Стремительным ударом с севера части 8-й армии 26 октября овладели станцией Лиски и к 27 октября вышли к Дону на участке от Ендовище до устья реки Икорец.