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1月16日，德国盟友匈牙利部队通信系统陷入瘫痪，只能各自为战。
1月17日，苏军第四十集团军进抵奥斯特罗戈日斯克，与独立步兵第十八军胜利会师。
1月18日，雷巴尔科率领苏军坦克第三集团军与莫斯卡连科率领的第四十集团军在阿列克谢耶夫卡胜利会师。至此，苏军包围了匈牙利第二集团军的大部分兵力、意大利阿尔卑斯步兵军的一部和德军第二十四装甲军、克拉默集群。同日，从波德文尔诺耶向卡缅卡发动进攻的苏军坦克第十二军到达卡尔片科沃，与独立步兵第十八军的阵地连成一片。
这个时候，苏军完全切断了德军的退路。然而，希持勒表示他不想让被围部队从沃罗涅日撤退，同时又不想让第六集团军的历史重演。纳粹德国及其盟友最终选择放弃并烧毁了沃罗涅日城，并趁着暴风雪向西突围，其中大部分部队冒着零下25摄氏度的严寒向雷耳斯克急行军190多公里才逃出包围圈。突围期间，德军的重装备几乎损失殆尽。这次战役，苏军向前推进了140公里，围歼德军15个师，重创6个师，俘虏了8.6万名德军。苏军在德军防线上撕开了一道250公里宽的缺口，为将来的沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役和向哈尔科夫进攻奠定了基础。
1月21日，德军B集团军群总司令魏克斯向希特勒报告说B集团军群扼守的防线出现了一个宽大的缺口。魏克斯对阻止苏军的攻势没有抱什么希望。当苏军改变进攻路线，绕开所有德军支撑点迂回进攻时，魏克斯绝望透顶。德军第二集团军的处境十分危险，苏军的目标很有可能想通过这一缺口向西南继续进攻，从而切断德军顿河集团军群的撤退之路。希特勒急忙从中央集团军群派来一个步兵师，又从西欧调来党卫军第二装甲军，但增援部队还在半路上。
奥斯特罗戈日斯克至罗索什一线的德国及其盟国的军队被苏军击溃后，德军第二集团军和匈牙利第三军共12.5万人被苏联布良斯克方面军和沃罗涅日方面军分别从南北两面合围。苏军计划从南北两面夹攻德军第二集团军，即向卡斯托尔诺耶进行向心攻击，收复沃罗涅日、卡斯托尔诺耶一带，为日后进攻库尔斯克和哈尔科夫创造有利条件。
苏军目的是在长达74公里的4个地段上突破德国及其盟国军队的防线。苏军在4个突破地段集结了两个方面军70%的兵力、90%的炮兵和100%的坦克。同时，苏联空军第十五集团军和空军第二集团军一部（527架飞机）负责空中支援。如此一来，苏军在兵力占有绝对优势，步兵比轴心国军队多1.3~3.7倍，炮兵多1.6~8倍，坦克更是处于绝对优势。炮火准备的持续时间计划为30~100分钟。
1月23日，德军在整个苏联战场仅剩下495辆勉强维持战斗的坦克。除了很少的虎式坦克外，德军没有任何坦克可以对付苏军的坦克。虽然三号和四号坦克加装了装甲裙，并改装了碳化钢的装甲和初速大的火炮，但仍无法与苏军的坦克相抗衡。另外，德军装甲师的编制在不断萎缩，编成内团的数量和编成内营的数量均大量削减。
与此同时，苏军的实力突飞猛进。苏联空军虽然在飞机性能上仍然比不上德国空军，但是他们在改进飞机质量上取得了很大的进步。苏军的KV型坦克和T-34型坦克优于德军的三号和四号坦克，并且大量装备给了部队。苏军的坦克军和机械化军改编成坦克集团军。苏军的最大改进是摩托化，使得苏军各集团军能在冰雪融化的季节进行快速突破。
昔日世界上装备最精良的德军，如今却成了落后挨打的军队，主要装备都是些过时的武器。苏军军官和传令兵乘坐吉普车，而德军军官和传令兵则改为骑马。苏军大量使用先进的6轮传动卡车，而德军只能大量使用轻便马车。昔日全世界耀武扬威的德军，如今被苏军步步紧逼，成了丧家之犬。
希特勒自然很不甘心，于是开始不择手段地提高军工产量，大规模掠夺欧洲占领国的经济和资源。军工生产越来越集中在垄断集团手里。这种做法一度使德国提高了武器装备的产量。德军空军装备了新式的“福克沃尔夫-190”型歼击机和“汉克尔-129”型强击机。截至7月库尔斯克会战爆发前夕，德国及其仆从国在苏联的兵力达到了532.5万人，火炮和迫击炮5.4万门、坦克5850辆、飞机近3000架，232个师中196个为德国师（包括26个装甲和摩托化师）和36个为仆从国师。而当时，德军在非洲战场仅有8个师。
1月24日，苏军第四十集团军的坦克第四军向戈尔舍奇诺耶、卡斯托尔诺耶方向发起攻击。尽管纳粹德国及其盟国进行了抵抗，但是第四十集团军仍于次日晚向前推进了20~25公里，对盘踞在沃罗涅日地区的德军及其盟军构成了致命威胁，德军统帅部立即把部队撤往顿河对岸。
1月25日，苏军第六十集团军收复了沃罗涅日。与此同时，苏军第三十八集团军和第十三集团军先后发起攻击，并向卡斯托尔诺耶地区推进。
1月26日，苏军将斯大林格勒的德军第六集团军切成南北两块：保卢斯为首的9个师被困在市中心，另外12个师在北部工厂区。与外界失去联系的保卢斯还在艰难地执行着希特勒的命令：“不许投降。第六集团军必须死守阵地，直至一兵一卒、一枪一弹。你们的坚持在建立一条防线和拯救西方世界将是永志难忘的贡献。”然而，在苏军猛烈的攻势面前，保卢斯的第六集团军再也坚持不下去了。
1月27日，希特勒下令A集团军群全部撤离高加索。埃贝哈德·冯·马肯森指挥的第一装甲集团军奉命与曼施坦因的顿河集团军群会师。曼施坦因奉命撤到顿河下游以西一带，阻击苏军西南方面军。A集团军群其他的部队约10个德国师和10个罗马尼亚师，共35万多人，奉命撤往塔曼桥头堡。事实证明，A集团军群撤到塔曼桥头堡对曼施坦因集团军在乌克兰作战没有什么帮助。曼施坦因请求希特勒允许他撤到米乌斯河一带，却遭到希特勒的断然拒绝，理由是顿涅茨产煤区对德国经济至关重要。此时，在苏德战场上出现了有利于苏军在宽大正面上展开进攻的条件。西南方向的情况对苏军最为有利，因为德军那里的防线已被苏军摧毁。
1月28日，苏军第四十、第十三、第三十八集团军在卡斯托尔诺耶会师，切断了德军及其盟军向西撤退的公路。另外，第十三、第四十集团军一部推进到敌军的正面，并将德军第二集团军和匈牙利第三军包围在卡斯托尔诺耶东南一带。为全歼敌军，苏军又调来第三十八集团军和第四十集团军的部分兵力。于是，苏军开始向季姆河和奥斯科尔河发起攻势。
由于苏军在歼灭被围敌军时兵力不足，尤其是苏军在合围正面兵力明显不足，同时部队之间的协同也做得不好。经过一番激战，德军及其盟军尽管损失惨重，仍然突破了合围的正面，向西撤退。苏军第三十八集团军拼命追击，在2月2~17日的追击战中消灭了敌军的主力。
在沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役中，苏军击溃德军及其盟军11个步兵师，收复沃罗涅日州和库尔斯克州广大地区，为进攻库尔斯克和哈尔科夫奠定了基础。
至此，苏军向前推进了120公里，每天推进的速度为12~14公里。沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役的准备期限只有4天，而战役是在严冬多雪的艰苦条件下发动的，战役中苏军的摩托雪橇营第一次投入战场。
1月30日，身处斯大林格勒的德军第六集团军司令保卢斯电告希特勒：“最后崩溃超不过24小时。”次日傍晚，苏军进入保卢斯所在的地下室，第六集团军被迫接受苏军的投降条件。北部工厂区的德军也于2月2日中午宣布投降。下午2点46分，一架德国侦察机在斯大林格勒上空飞过，并向希特勒发去一份电报：斯大林格勒已无战斗迹象。
2月2日，斯大林格勒战役以苏军的最终胜利而宣告结束，德军遭遇毁灭性的打击。历时180天的斯大林格勒大会战震惊了世界，德军从此一蹶不振，希特勒的“战争机器”由此开始进入“老化”期。同一天，马利诺夫斯基接替叶廖缅科担任南方面军司令员。