Главные силы Конного корпуса — 4-я и 6-я дивизии двигались к станции Суковкино, расположенной в 16 километрах к югу от Касторной. Здесь находился стык между белогвардейской пехотной группой генерала Постовского, прикрывавшей Касторную, и конницей Мамонтова и Шкуро. Сюда, в самое уязвимое место позиции врага, С. М. Буденный и направил основной удар. Одновременно 11-й кавалерийской дивизии была поставлена задача образовать заслон на правом фланге корпуса северо-восточнее Касторной, а с переходом главных сил в наступление ударить на Касторную и овладеть ею.
15 ноября под прикрытием бушевавшей снежной метели части Конного корпуса ворвались на станцию Суковкино. Атака застала противника врасплох. Батареи, стоявшие у Суковкино, даже не успели открыть огонь. Гарнизон станции сложил оружие без единого выстрела. Тут же С. М. Буденный от имени офицера белогвардейского оперативного пункта управления вызвал по телеграфу штаб Постовского и попросил прислать для прикрытия станции бронепоезд. Военная хитрость блестяще удалась: это требование было выполнено. Буденновцы быстро обезоружили и захватили ничего не подозревавшую команду вражеского бронепоезда. Здесь же были задержаны поезд с награбленным белыми имуществом и эшелон с боеприпасами.
После занятия Суковкино силы корпуса разделились: 4-я дивизия повернула на север в тыл касторненской группировке врага, а 6-я дивизии направилась на юг, чтобы с тыла атаковать полки Мамонтова.
Между тем, в районе Касторной разыгрались ожесточенные бои. Конница Шкуро и белогвардейская пехота были атакованы одновременно с трех сторон: с востока фронтальный удар наносила 11-я кавалерийская дивизия, с севера наступала 42-я стрелковая дивизия 13-й армии, а с тыла — 4-я кавалерийская дивизия. Большую помощь советской кавалерии и пехоте оказали артиллеристы. Особенно отличились бойцы 1-й батареи 3-го легкого артиллерийского дивизиона 42-й стрелковой дивизии. Под яростным обстрелом двух вражеских бронепоездов и артиллерии 1-я батарея своим огнем прокладывала путь коннице и пехоте к Касторной. В решающий день боев, 14 ноября, когда началось наступление непосредственно на станцию, артиллеристы 1-й батареи выкатили орудия на открытые позиции и повели огонь по вражеским бронепоездам прямой наводкой. Два бронепоезда были подбиты. После этого артиллеристы обрушили огонь на вражескую батарею. Первыми же выстрелами были сбиты наблюдатели противника, которые находились на колокольне церкви. Когда белогвардейцы побежали, артиллеристы огнем преградили им путь отхода.
Вместе с конниками Буденного геройски сражались пехотинцы 42-й дивизии. За стойкость и мужество 376-й и 378-й стрелковые полки этой дивизии были награждены почетными революционными Красными заменами.
Используя успех Конного корпуса и приданных ему частей, войска 8-й армии форсировали Дон и развернули наступление на Нижнедевицк. Положение противника в районе Касторной с каждым днем все более ухудшалось. Истекая кровью, враг метался в кольце советских войск. Конница Мамонтова, атакованная частями 6-й кавалерийской дивизии, также понесла большие потери и была не в состоянии помочь группировке у Касторной. Лишь жалким остаткам белогвардейской конницы удалось спастись бегством. Полки Терской и Кавказской пехотных дивизий противника, видя бесполезность дальнейшего) сопротивления, сложили оружие. К 4 часам дня 15 ноября Конный корпус и части 13-й армии закончили освобождение Касторной.
За два дня боев — 15 и 16 ноября — в районе Касторной было захвачено до 3 тысяч пленных, 4 бронепоезда, 4 танка, 22 орудия, свыше тысячи лошадей, несколько десятков тысяч снарядов, большое количество патронов. Конный корпус во время воронежско-касторненской операции прошел с боями свыше 250 километров. Совместно с частями 8-й армии он разгромил два кавалерийских корпуса белых и несколько пехотных соединений. Советские войска освободили ряд городов, много сел, деревень.
Красная Армия прочно удерживала инициативу за собой и на правом крыле Южного фронта. Здесь в период с 4 по 6 ноября части 12-й армии наступали на Чернигов. К началу наступления армия располагалась по линии Паричи, западнее Мозыря, Новоград-Волынский, Житомир, Фастов; далее ее фронт шел по левому берегу Днепра, затем поворачивал на восток и проходил северо-восточнее Чернигова, через Сосницу, до Хутора Михайловского.
Фронт армии растянулся более, чем на 700 километров. Ей приходилось вести боевые действия не только против деникинцев, но и против петлюровцев и белополяков. Общая численность вражеских войск, противостоявших 12-й армии, составляла более 52 тысяч штыков, 4 тысяч сабель с 1300 пулеметами, 318 орудиями, 17 бронепоездами, 9 бронемашинами, 4 танками и 17 самолетами. Кроме того, у белых был резерв в районе Киева, насчитывавший свыше 14 тысяч человек, преимущественно вновь мобилизованных, не имевших военной подготовки.