В ходе наступления под Сталинградом и дальнейшего его развития советские войска отбросили противника от Волги до Дона. К исходу 12 января войска Воронежского фронта (генерал-лейтенант, с 19.01.1943 г. генерал-полковник Ф.И. Голиков) в составе 38, 60-й и 40-й общевойсковых. 3-й танковой и 2-й воздушной армий, 18-го отдельного стрелкового. 4-го танкового и 7-го кавалерийского корпусов занимали рубеж Козинка, Подгорное, река Воронеж и далее по левому берегу Дона до Новой Калитвы. 20 км западнее Кантемировки, удерживая плацдармы на правом берегу Дона в районах 1-е Сторожевое и Щучье.
Северо-западнее Воронежского фронта действовала 13-я армия (генерал-майор, с 14.02.1943 г. генерал-лейтенант Н.П. Пухов) Брянского фронта, а южнее — 6-я армия (генерал-лейтенант Ф.М. Харитонов) Юго-Западного фронта. Всего в составе группировки советских войск на Верхнем Дону с учётом части сил Брянского и Юго-Западного фронтов имелось 398 тысяч человек, 6160 орудий и миномётов. 1060 танков и САУ. 208 боевых самолётов. Ей противостояли основные силы немецко-фашистской группы армий «Б» (генералполковник, с 1.02.1943 г. генерал -фельдмаршал М. Вейхс): 2-я немецкая. 2-я венгерская армии, часть сил 8-й итальянской армии, поддерживаемые авиацией командования ВВС «Дон» и частью сил 4-го воздушного флота. — всего 430 тысяч человек, 3350 орудий и миномётов, 360 танков и штурмовых орудий, около 300 боевых самолётов. Более двух третей неприятельских сил и все его танки действовали перел Воронежским фронтом.
Оборонительные позиции перед левым крылом Брянского фронта и перед Воронежским фронтом противник совершенствовал в течение шести месяцев. Тактическая зона обороны состояла из двух полос. Глубина основной полосы достигала 6—8 км. Наиболее развита оборона была непосредственно в районе города Воронеж и перед сторожевским и щучьинеким плацдармами. Другая полоса обороны была подготовлена на удалении 12—20 км от переднего края основной полосы и состояла из одной, местами из двух прерывистых траншей, окопов и отдельных опорных пунктов, оборудованных на господствующих высотах и в населённых пунктах.
Перед 6-й армией Юго-Западного фронта войска противника, ослабленные в ходе декабрьских боёв, не успели создать прочной обороны. Она состояла только из одной оборонительной полосы. Кроме того, советские войска на этом направлении занимали выгодное положение, позволявшее нанести глубокий охватывающий удар во фланг и тыл группировке врага, оборонявшейся на Дону, южнее Воронежа. Моральное состояние противника после разгрома под Сталинградом резко упало. Дезертирство, например, в венгерской армии приняло значительные размеры. Иногда сдавались в плен не только отдельные группы солдат, но и целые подразделения.
По замыслу операции войска Воронежского фронта во взаимодействии с фланговыми армиями Брянского и Юго-Западного фронтов вначале должны были последовательно разгромить острогожско-россошанскую и воронежско-касторненскую группировки врага и, используя образовавшуюся в его обороне брешь, нанести удары на Харьков, а затем на Полтаву. Операция готовилась около трех недель. Координацию действий фронтов осуществляли прибывшие в их расположение представители Ставки ВГК — генерал армии Г.К. Жуков и генерал-полковник A.M. Василевский.
Командование Воронежского фронта приняло смелое решение: за счёт ослабления второстепенных участков создать мощные ударные группировки в полосе наступления 40-н и 3-й танковой армий. Такое решение основывалось на подробных разведданных о положении вражеских войск. В результате принятых мер по маскировке и дезинформации, противник до последнего момента не подозревал о готовившемся широком наступлении советских войск. Но, несмотря на интенсивную и напряжённую подготовку, некоторые мероприятия не удалось завершить в установленные сроки. К началу операции не прибыли из резерва Ставки 4-й танковый корпус, лыжно-стрелковые бригады, некоторые другие соединения и части. В войсках имелось по одному-два боекомплекта боеприпасов вместо трёх — трёх с половиной, предусмотренных планом. В связи с этим для обеспечения 3-й танковой армии пришлось использовать часть материальных средств Юго-Западного фронта.
Острогожско-Россошанская операция началась на рассвете 13 января после артиллерийской подготовки наступлением войск первого эшелона 40-й армии (генерал-лейтенант К.С. Москаленко) со сторожевского плацдарма при поддержке 2-й воздушной армии (генерал-майор авиации К.Н. Смирнов). Главная полоса обороны противника была прорвана на 10-километровом участке. Вражеское командование, израсходовав в течение дня свои тактические резервы, начало перебрасывать сюда часть сит из оперативного резерва с юга.
С утра 14 января советские войска развернули наступление ещё с двух направлений: со щучьинского плацдарма — 18-й и 18-й отдельный стрелковые корпуса; из района населенных пунктов Кантемировка, Талы — 3-я танковая армия (генерал-майор П.С. Рыбалко) и 7-й кавалерийский корпус Воронежского фронта. В тот же день в наступление перешла и 6-я армия Юго-Западного фронта. К исходу 15 января войска 40-й и 3-й танковой армий прорвали оборону врага на всю тактическую глубину и разгромили его четыре дивизии. 18-му стрелковому корпусу не удалось полностью преодолеть вторую полосу вражеской обороны. Противник успел занять её своими резервами и задержал продвижение частей корпуса. Но привлечение резервов противника к участку прорыва 18-го стрелкового корпуса ослабило его оборону, и ударная группировка фронта фланговым ударом успешно выполнила поставленную задачу.
Главные силы 40-й армии и 15-й танковый корпус 3-й танковой армии, развивая наступление по сходящимся направлениям на Алексеевку. вышли к исходу 18 января в район Иловское, Алексеевка и завершили таким образом окружение всей острогожско-россошанской группировки врага.
В этот же период 12-й танковый корпус, наступавший от Россоши на Каменку, вышел в район Карпенково где установил связь с частями 18-го отдельного стрелкового корпуса. К этому времени эти части, преодолев сопротивление резервов противника, вели бои в 8 км северо-восточнее Карпенково. К 19 января советские войска окружили в районе Алексеевка, Валуйки, Россошь крупную группировку противника (13 дивизий) и расчленили её на две крупные изолированные одна от другой части. Первая из них (острогож-ско-алексеевская), состоявшая из остатков пяти дивизий, была окружена в районе Острогожск, Алексеевка, Карпенково. При этом три дивизии из этой группы были блокированы нашими войсками в Острогожске, где образовался самостоятельный очаг окружения. Вторая (россошанская) группа, в которой насчитывалось до восьми дивизий, оказалась в районе Сагуны, Россошь, Старая Калитва. К моменту завершения окружения противника было уже пленено около 52 тысяч человек и примерно столько же убито и ранено. В период с 19 по 27 января группировки врага были ликвидированы. В ходе Острогожско-Россошанской операции было разгромлено 15 дивизий и нанесено тяжёлое поражение ещё 6 дивизиям противника, что резко изменило соотношение сил в пользу советских войск. От врага были очищены важные в оперативном отношении железнодорожные участки Лиски — Канте-мировка и Лиски — Валуйки. Войска Воронежского фронта продвинулись на 140 км, создали угрозу тылу воронежско-касторненской группировки противник! и благоприятные условия для наступления на харьковском направлении. Это вынудило немецкое командование начать отвод войск с восточной части воронежского выступа. Чтобы предотвратить их отход из района Воронежа, командующий Воронежским фронтом, по согласованию со Ставкой, решил без оперативной паузы начать Воронежско-Касторненскую операцию, которая проводилась с 24 января по 17 февраля 1943 г.
Замысел операции предусматривал окружение противника в районе Воронежа ударами по сходящимся направлениям на Касторное: с севера — 13-й армии (генерал-майор Н.П. Пухов) и юга — 40-й армии, с одновременным рассечением вражеской группировки встречными ударами: с северо-востока — 38-й армии (генерал-лейтенант Н.Е. Чибисов) и юго-востока — 60-й армии (генерал-лейтенант И.Д. Черняховский) в общем направлении на Нижнюю Ведугу.
24 января 40-я армия Воронежского фронта, усиленная 4-м танковым корпусом, неожиданно для противника перешла в наступление в общем направлении на Касторное. Наибольшего успеха добился 4-й танковый корпус, который к исходу дня прорвался в расположение врага на глубину до 16 км, 25 января в результате удачного манёвра корпус овладел районным центром Горшечное, но вынужден был остановиться, так как из-за снежных заносов не подошли автозаправщики и танки оказались без горючего. Опасаясь окружения войск в районе Воронежа, немецкое командование начало их отвод за Дон. Передовые части 60-й армии перешли к преследованию противника и 25 января освободили Воронеж.
В тот же день начала наступать 38-я армия. Чтобы задержать советские войска, продвигающиеся к Касторному. немецкое командование перебросило в район Горшечное два пехотных полка, ранее выведенных из боевых порядков с рубежа реки Дон. Одновременно противник ускорил отвод войск, находившихся западнее Воронежа.
26 января, как и предусматриваюсь планом, в наступление перешли войска 13-й армии Брянского фронта, которые за день продвинулись на 6—7 км. 4-й танковый корпус 40-й армии, заправившись горючим, которое ему доставили самолётами, возобновил с рассветом 27 января преследование врага.
К исходу 28 января войска 13-й и 38-й армий и 4-го танкового корпуса вышли в район Касторное. а стрелковые соединения 40-й армии — в район Горшечное и перерезали основные пути отхода воронежско-касторненской группировки противника. В это же время главные силы 13-й армии начали развивать наступление в западном направлении. 29 января войска 13. 38-й и 40-й армий заняли Касторное и юго-восточнее его окружили до девяти вражеских дивизий противника. Однако в результате начавшейся подготовки к проведению Харьковской наступательной операции, с внутреннего фронта окружения было снято более половины войск. Борьбу с окруженной группировкой противника, продолжавшей действовать компактно, вели только часть сил 38-й и 40-й армий, а с 7 февраля — только 38-й армии. В результате противник смог прорвать кольцо окружения и начал продвижение тремя группировками в направлении Тим, Обояиь. 9 февраля остатки семи вражеских дивизий соединились в районе Солнцева и к 17 февраля вышли к Обояни.
Сильные удары советских войск, нанесённые на острогожском и касторненском направлениях, привели к разгрому группировки противника на Верхнем Дону и к образованию в его обороне слабо прикрываемой войсками 400-километровой бреши от Ливен до Купянска. Это создало условия для развития наступления на курском и харьковском направлениях. Ещё 21 января A.M. Василевский и военный совет Воронежского фронта представили в Ставку соображения о дальнейших действиях на этих направлениях. Ставка согласилась с их предложениями и 23 января поставила фронтам задачу на дальнейшее наступление с целью разгрома немецкой группы армий «Б» и освобождения харьковского промышленного района. 2 февраля началась Харьковская наступательная операция, продолжавшаяся до 3 марта.
Главный удар по-прежнему наносили войска Воронежского фронта, имея задачу завершить разгром группы армий «Б», овладеть Курском. Харьковом, на 15— 20-й день выйти на рубеж Курск. Ракитное. Грайворон. Богодухов. Валки.
2—3 февраля войска Воронежского фронта возобновили наступление, сломили сопротивление противника, овладели Курском (8 февраля), Белгородом (9 февраля), Харьковом (16 февраля). С середины февраля вследствие больших потерь, понесённых в предыдущих боях, перебоев в снабжении и снижения активности авиации из-за большой удалённости аэродромов темпы наступления начали снижаться. Фронт не располагал также резервами. Несмотря на это, в первых числах марта Ставка и фронтовое командование, ошибочно оценив обстановку, потребовали решительного наступления к Днепру. Однако с выходом передовых соединений на подступы к Сумам и Полтаве обстановка южнее Харькова резко ухудшилась. Крупная контрударная группировка войск противника создала угрозу прорыва из полосы Юго-Западного фронта во фланг и тыл Воронежского фронта. Стало ясно, что в условиях весенней распутицы без надёжной авиационной поддержки наступление следует приостановить. Войска перешли к обороне на достигнутом к 3 марта рубеже восточнее линии Рыльск, Суджа, Лебедин, Змиев, сосредоточив усилия на отражении контрнаступления врата. 13-я армия Брянского фронта овладела городами Фатеж (7 февраля), Малоархангельск (23 февраля) и закрепилась северо-западнее реки Свапа.
В Воронежско-Харьковской операции боевые действия велись 50 суток на глубину 360—520 км со среднесуточным темпом наступления 7—10 км. Советские войска нанесли группе армий «Б» тяжёлое поражение: 2-я венгерская и 8-я итальянская армии были почти полностью уничтожены; 2-я немецкая армия потеряла основную часть боевой техники. Было разгромлено 26 дивизий врага, взято в плен 86 тысяч солдат и офицеров. Советские войска освободили от оккупантов значительные территории, ряд крупных административных и промышленных центров — Воронеж, Курск, Белгород, Харьков.
Эта операция явилась примером подготовки и проведения последовательных по фронту и глубине фронтовых наступательных операций без оперативных пауз. В пей использовались наиболее эффективные и решительные способы разгрома противника: рассечение его группировок, окружение и уничтожение их по частям. Операция характерна проведением крупных перегруппировок войск в условиях бездорожья, достижением внезапности наступления, чётким взаимодействием видов Вооружённых сил и родов войск. Потери советских войск в операции составили: безвозвратные — около 55,5 тысячи человек, санитарные — свыше 98 тысяч человек.
Однако закрепить достигнутый успех не удалось. Немецкое командование, сосредоточив в районе юго-западнее Харькова мощную группировку в составе 4-й немецкой танковой армии и оперативной группы «Кемпф», 4 марта нанесло контрудар по войскам Воронежского фронта. В результате неудачи в Харьковской оборонительной операции были оставлены Харьков и Белгород. Войска Воронежского фронта, отойдя с боями на 100—150 км, остановили противника на рубеже Краснополье, Белгород, река Северский Донец до Чутуева, образовав южный фас так называемого курского выступа.
Контрудар Манштейна создал южный фас Курского выступа, так заманчиво смотревшего с карт на Гитлера и его генералов. В германии успех под Курском Геббельс поднял на щит как реванш за Сталинград, однако, несопоставимость масштабов сражений была слишком очевидна.