А в начале декабря 7-й танковый корпус был уже снова под Сталинградом. Сначала он решил небольшую, но немаловажную задачу — внезапным ударом на рассвете 13 декабря ликвидировал так называемый рычковский плацдарм противника в нижнем течении реки Чир. После выполнения этой задачи корпус по распоряжению представителя Ставки Василевского был передан в оперативное подчинение 2-й гвардейской армии и сосредоточен на Котельниковском направлении. Как известно, в начале декабря генерал-фельдмаршал Манштейн создал в районе Котельникова мощную группировку войск (армейская группа «Гот»), включавшую 13 дивизий, с целью нанести удар на Сталинград и деблокировать окруженные там немецко-фашистские войска. Между прочим, в составе группы «Гот» впервые действовал батальон новых немецких тяжелых танков «тигр» — лишнее свидетельство того, какое огромное значение придавалось предстоящему наступлению.
Наступление началось 12 декабря, противнику удалось прорвать оборону нашей 51-й армии и продвинуться до реки Мышковы, где он был остановлен 2-й гвардейской армией генерал-лейтенанта Р. Я. Малиновского (в 35–40 километрах от окруженной группировки). А 24 декабря 2-я гвардейская и 51-я армии при содействии 5-й ударной армии перешли в решительное наступление с целью ликвидировать котельниковскую группировку противника. Главный удар наносила 2-я гвардейская армия на Котельниково силами 1-го гвардейского стрелкового и 7-го танкового корпусов. С утра 24 декабря после короткого огневого налета части 1-го гвардейского стрелкового корпуса атаковали противника, отбросили его и овладели переправами через реку Мышкову, обеспечив ввод в сражение подвижных соединений — 7-го танкового и 2-го гвардейского механизированного корпусов.
Форсировав реку, танкисты устремились вперед. Преодолев сопротивление противника, они на следующий день освободили поселки Нижне-Кумский и Верхне-Кумский, а на рассвете 26 декабря начали переправу через реку Аксай. Из хутора Верхне-Яблочный выдвинулись десять немецких танков с десантом автоматчиков. Но, увидев тяжелые танки 3-й гвардейской танковой бригады, враг повернул вспять. Это трусливое бегство распалило боевой азарт танкистов — они устремились вперед и с ходу атаковали противника в Верхне-Яблочном. Завязавшийся бой продолжался до наступления сумерек.
Применяя обходы и охваты опорных пунктов, корпус Ротмистрова вклинился в оперативную глубину вражеской обороны более чем на 20 километров и 27 декабря вышел уже на подступы к Котельникову. Он оказался в значительном отрыве от стрелковых соединений, но это не смутило Ротмистрова, так как полностью соответствовало принципам применения танковых соединений. Уточнив по радио в штабе 2-й гвардейской армии, что наши стрелковые корпуса и 6-й механизированный корпус ведут ожесточенные бои с главными силами противника, он попросил разрешения командарма атаковать Котельникове самостоятельно, не ожидая подхода 6-го механизированного корпуса с востока.
Получив в ответ, как когда-то в Подмосковье у Яму-ги, короткое: «Действуйте», — Ротмистров на рассвете 29 декабря атаковал Котельниково двумя бригадами с севера и двумя с запада и юго-запада. Танкисты действовали согласованно, напористо и в ходе упорных уличных боев к полудню полностью очистили город и железнодорожную станцию от противника. В километре западнее Котельникова они захватили действующий аэродром с исправными самолетами, застигнув противника врасплох. Вскоре на полосу приземлился вражеский самолет-разведчик. Фашистский ас, подняв руки, ошеломленно таращил глаза, так как несколько минут назад получил разрешение на посадку.
Об освобождении Котельникова Совинформбюро сообщило под рубрикой «В последний час»: «29 декабря наши войска овладели городом и железнодорожной станцией Котельниково. Захвачены большие трофеи, среди которых много авиационного и танкового имущества, а также 17 исправных самолетов и эшелон с танками. Трофеи подсчитываются…»
Но радовали не солидные трофеи, а то, что соединения 2-й гвардейской армии полностью разгромили котельниковскую группировку противника, остатки которой, минуя Котельникове, бежали в калмыцкие степи и за реку Маныч. Надежды противника на деблокирование своей сталинградской группировки окончательно рухнули.
Боевые успехи 7-го танкового корпуса под Сталинградом получили высокую оценку. Преобразованный в 3-й гвардейский, он получил почетное наименование Котельниковского. Ротмистров был удостоен присвоения звания генерал-лейтенанта танковых войск и ордена Суворова II степени.