К 10 часам утра 19 декабря сопротивление противника на восточной окраине было сломлено, и 66-я танковая бригада продвинулась до центра поселка. Противник упорно оборонялся, его приходилось выбивать квартал за кварталом. Построение бригады было характерным для боев в городе: впереди шел мотострелково-пулеметный батальон капитана А. В. Гарпенского, сзади двигались танки, прикрывая автоматчиков своей артиллерией. С юго-востока наступала 174-я танковая бригада. В районе полудня станция была захвачена ударом с двух сторон, но бои в городе продолжались с неослабевающей силой.
Около 14 часов в Кантемировку с севера вошла 31-я мотострелковая бригада, высвободившаяся после захвата села Талы. К 18 часам вслед за ней сюда подошла и 67-я танковая бригада. После этого очаги сопротивления противника были окончательно подавлены, и к исходу 29 декабря город оказался полностью в наших руках. В Кантемировке было захвачено 1500 пленных (в основном итальянцев), много складов с вооружением, боеприпасами и продовольствием, на путях взяты четыре эшелона с вооружением — в том числе танками. По донесениям командования корпуса, противник потерял до 1000 человек убитыми. Из освобожденных в городе военнопленных к утру 20 декабря был сформирован стрелковый полк численностью около 600 человек под командованием офицера штаба 31-й мотобригады А. М. Короля.
Два дня корпус приводил себя в порядок, подтягивая силы и восстанавливая поврежденную технику.
21 декабря в город вступили стрелковые части 15-го стрелкового корпуса 6-й армии, а в ночь на 22 декабря генерал Полубояров получил приказ возобновить наступление на юг, в направлении на Волошино.
Тем временем итало-немецкие войска оставили свои позиции по линии реки Дон и начали спешно отходить на юг и юго-запад. Глубокий прорыв 24-го и 25-го танковых корпусов создал благоприятные возможности для окружения и уничтожения отходившей из-под Богучара и Мрыхина группировки противника, к исходу 19 декабря сосредоточившейся в районе Арбузовка, Тихая Журавка, Мешков. Немцы именовали эту группировку «боевой группой Михаэлиса». В ее составе находились части итальянских дивизий «Равенна», «Торино» и «Пасубио», 298-й немецкой дивизии, а также подразделения бригад чернорубашечников. Советское командование оценивало численность этой группировки в 20 тысяч человек — однако на самом деле здесь скопилось не менее 50 тысяч солдат и офицеров противника.
Оперативная сводка ОКХ от 21 декабря констатировала:
«
Оценив обстановку, командующий фронтом 20 декабря поставил перед 1-й гвардейской армией задачу окружить и уничтожить отступающего противника. Для этого силами правого фланга (4-й гвардейский стрелковый корпус и танковые соединения) предполагалось продолжать преследование врага в общем направлении на Миллерово, а центром и левым флангом (6-й гвардейский стрелковый корпус и 153-я стрелковая дивизия) во взаимодействии с 18-м танковым корпусом — окружить и уничтожить охваченную с трех сторон группировку противника.
17-й танковый корпус должен был наступать от Кантемировки на юг, в район западнее Миллерово, 24-й танковый корпус — на Тацинскую, 25-й танковый корпус — на Морозовск, где ему предстояло соединиться с частями 3-й гвардейской армии.
В ночь на 22 декабря бригады 17-го танкового корпуса двинулись на Волошино. Передовой шла 66-я танковая бригада подполковника Ф. М. Лихачева. Преодолев за 28 часов расстояние в 110 км, утром 23 декабря бригада заняла Волошино, находившееся глубоко в немецком тылу, в 30 км западнее станции Миллерово. Гарнизон города, состоявший из тыловых частей, был разбит; остатки его отошли в южном направлении.