Образованный наступлением Воронежского фронта внутренний фронт окружения протяженностью свыше 300 км не был сплошным. Советские войска, окружавшие группировку противника, занимали только важнейшие узлы дорог и населенные пункты, находившиеся на наиболее вероятных путях отхода врага. Со стороны наших войск на внутреннем фронте окружения действовало в общей сложности одиннадцать стрелковых дивизий, две стрелковые бригады и два танковых корпуса. На внешнем фронте к моменту завершения окружения наши войска имели около пяти дивизий на широком фронте. Окруженные войска противника были раздроблены на три группы. Первая в составе 19-й и 23-й венгерских пехотных дивизий, трех дивизий итальянского горного корпуса, различные части XXIV корпуса и 385-я немецкая пехотная дивизия была блокирована в районе Россоши и практически не имела шансов на спасение. 10-я и 13-я венгерские дивизии и части 168-й пехотной дивизии были блокированы в Острогожске. Основные силы 168-й и 26-й пехотных дивизий, 1-й венгерской танковой дивизии пытались пробиться на запад в коридоре между Иловской и Алексеевкой. К моменту завершения окружения нашими войсками уже было пленено около 52 тыс. человек.
В период с 19 по 27 января производилась окончательная ликвидация расчлененной на части острогожско-россошанской группировки немецких, итальянских и венгерских войск. Бои по уничтожению войск противника в Острогожске и в районе северо-восточнее Алексеевки продолжались с 19 по 24 января. В этих боях принимали участие войска всех трех ударных группировок фронта.
Быстрее всего были уничтожены венгерские и отдельные части немецких войск в Острогожске. Город был в течение 19 и 20 января силами 107, 340, 309-й стрелковых дивизий и 129-й стрелковой бригады взят штурмом. Большая часть гарнизона была пленена или уничтожена в ходе боев за город, лишь незначительной части удалось пробиться в район Алексеевки. Высвободившиеся в результате ликвидации острогожской группировки противника войска 40-й армии были направлены на ликвидацию «котла» в районе северо-восточнее Алексеевки. В этих боях приняли участие 305, 340, 309-я стрелковые дивизии и части 15-го танкового корпуса. Противник в этом районе располагал значительными запасами продовольствия и боеприпасов, т. к. в лесу северо-восточнее Алексеевки были армейские склады 2-й венгерской армии. В течение 19–24 января эта группировка также была ликвидирована. В плен сдались около 9 тыс. человек, примерно столько же было уничтожено в ходе боев и около 12 тыс. человек смогли пробиться по коридору на запад.
Дольше всего просуществовал «котел» площадью около 150 кв. км в районе Россоши. В его ликвидации принимали участие 219, 270, 180-я и 160-я стрелковые дивизии, 113-я и 195-я танковые бригады. Пытавшиеся прорваться на запад части попадали под удар перегруппировывавшихся к реке Оскол соединений 3-й танковой армии, а самые удачливые были встречены у Валуек частями 7-го кавалерийского корпуса. Жирную точку в операции поставила 27 января капитуляция остатков 3, 4 и 156-й итальянских дивизий вместе с их штабами.
Итоги операции. Острогожско-Россошанская операция стала удачным дебютом по «отламыванию» пошатнувшегося после Сталинграда фронта противника. Продвижение на запад 40-й армии вновь привело к охвату фланга оборонявшихся на Дону южнее Воронежа войск противника. Уже 20 января представитель Ставки ВГК А.М.Василевский дал указания командующим Воронежским и Брянским фронтами о подготовке и проведении новой наступательной операции. В ней должны были принять участие 38, 60-я и 40-я армии Воронежского фронта и 13-я армия Брянского фронта. Теперь «отламывать» предполагалось фланг 2-й армии, выдвинувшийся к Воронежу в июле 1942 г. Уже с 20 января Воронежский фронт начал перегруппировку сил для новой операции. Образование крупной бреши в построении группы армий «Б» также создавало благоприятные условия для развития наступления на Харьков. Захваченный 7-м кавалерийском корпусом рубеж на р. Оскол стал исходными позициями для еще одной операции Воронежского фронта, получившей кодовое наименование «Звезда».
