Количество, качество артиллерии и недостаток боеприпасов к ней в какой-то мере компенсировались значительными силами танков, выделяемых для непосредственной поддержки пехоты. Всего в составе Воронежского фронта было 896 танков (112 КВ, 405 Т-34, 87 М3 «Ли», 263 Т-60 и Т-70, 29 М3 «Стюарт»). Из этого числа для обеспечения обороны 38-й и 60-й армий выделялось 99 танков, 382 танка составляли эшелон развития успеха (два танковых корпуса 3-й танковой армии, 4-й танковый корпус к началу операции не прибыл) и 415 боевых машин выделялось для непосредственной поддержки пехоты трех ударных группировок фронта. В 40-й армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 116 (23 КВ 5 Т-70), 150 (29 Т-34, 10 Т-70 и 4 Т-60) и 86-я (6 КВ, 12 Т-34) танковые бригады. В 18-м отдельном стрелковом корпусе — 96-я (15 Т-34 и 6 Т-60) и 192-я (34 М3 «Ли» и 16 М3 «Стюарт») танковые бригады и 262-й танковый полк (21 КВ-1С). В полосе наступления 3-й танковой армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 173-я и 179-я танковые бригады и 97-я тяжелая танковая бригада 12-го танкового корпуса, а всего 162 танка. Основные силы 12-го и 15-го танковых и 7-го кавалерийского корпусов должны были войти в пробитый пехотой прорыв. В целом танки подобно артиллерии и стрелковым соединениям концентрировались на направлениях главного удара. Из 896 танков фронта для проведения наступления привлекалось 797 танков, т. е. почти 90 % бронетехники. Вследствие того, что танковый корпус А.Г.Кравченко не прибыл к началу наступления в полосу 40-й армии, операция приобрела ярко выраженную форму «асимметричных канн». Во-первых, оба самостоятельных подвижных соединения задействовались в полосе наступления южной ударной группировки, а во-вторых, из 797 выделяемых для операции танков 544 единицы сосредотачивались на левом крыле фронта.
В отсутствие заметного общего численного перевеса над противником в результате перегруппировки сил войскам Воронежского фронта удалось достичь превосходства на участках прорыва. Тактические плотности на участках прорыва армий составляли: 1,7–3,3 батальона, 41—108 орудий и минометов и 10–22 танка на 1 км фронта. Превосходство над противником при прорыве главной полосы его обороны выражалось: по пехоте — в 2,3–3,7 раза и по артиллерии — в 5–8 раз.
Поддержку наступления Воронежского фронта с воздуха предполагалось осуществлять силами 2-й воздушной генерал-майора авиации К.Н.Смирнова. К тому моменту в ее состав входили две истребительные, две штурмовые авиационные дивизии и одна дивизия ночных бомбардировщиков, в которых в общей сложности имелось 208 боевых самолетов.
Вся авиация воздушной армии была разделена на две группы: северную и южную. Северная группа в составе одной истребительной и одной штурмовой авиационных дивизий (всего 64 самолета) предназначалась для обеспечения боевых действий 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса. Южная группа в составе одной истребительной, одной штурмовой авиационных дивизий и двух авиационных полков ночных бомбардировщиков (всего 78 самолетов) должна была обеспечивать боевые действия 3-й танковой армии и 7-го кавалерийского корпуса. В непосредственном распоряжении командующего 2-й воздушной армией был оставлен один полк ночных бомбардировщиков.
Вследствие трудностей с сосредоточением войск и накоплением боеприпасов срок начала наступления был перенесен с 12 на 14 января 1943 г. Но реально боевые действия начались на день раньше. Переходу в наступление 40-й армии предшествовали проведенные 12 января бои передовых батальонов двух стрелковых дивизий ударной группировки армии. В результате действий этих батальонов, успех которых был развит вводом главных сил дивизий, в полосах которых они вели разведку боем, наши войска вклинились в оборону противника на 6-километровом фронте на глубину до 3–3,5 км. Обстановка, сложившаяся на сторожевском плацдарме в связи с достигнутым передовыми батальонами успехом, требовала немедленного ввода в бой главных сил 40-й армии. Командующий фронтом принял правильное и соответствующее данной обстановке решение — использовать успех 107-й и 25-й гвардейской стрелковых дивизий и приказал командующему 40-й армией перейти в наступление главными силами не 14, а утром 13 января. В ночь на 13 января части первого эшелона 40-й армии заняли исходное положение для наступления. На рассвете 13 января войска первого эшелона 40-й армии после артиллерийской подготовки перешли в наступление с рубежа, достигнутого 12 января передовыми батальонами. К исходу дня главная полоса обороны 7-й венгерской пехотной дивизии перед сторожевским плацдармом была прорвана на 10-километровом фронте. В этот день состоялся танковый бой между советской 150-й танковой бригадой полковника И.В.Софронова и немецким 700-м отдельным танковым отрядом в составе 10 Pz.IV и 40 Pz.38(t). Бой закончился разгромом немецкого отряда и пленением его командира.
