В 38-й армии ударная группировка была развернута на 14-километровом фронте от Козинки до Озерки и имела 240-ю и 167-ю стрелковые дивизии, 180-ю танковую бригаду и 14-й танковый батальон (91 танк). Все силы строились в один эшелон. За ударной группировкой в резерве армии находились одна стрелковая дивизия, курсы младших лейтенантов и танковый батальон.
60-я армия, получив от 40-й армии 22-километровый участок от р. Дон до Семидесятское, свою ударную группировку развернула на левом фланге, на участке фронта в 12 км; в ее первом эшелоне находились 322-я и 232-я стрелковые дивизии, 253-я стрелковая и три танковые бригады (51 танк); во втором эшелоне — 303-я стрелковая дивизия.
40-я армия действовала в полосе шириной 50 км. В первом эшелоне были развернуты 25-я гвардейская, 183, 309, 107-я и 340-я стрелковые дивизии, 129-я стрелковая и 192-я и 96-я танковые бригады (28 танков). Во втором эшелоне были три лыжно-стрелковые бригады и 305-я стрелковая дивизия, выдвигавшаяся из района Алексеевки в полосу наступления армии. 4-й танковый корпус (219 танков) занял исходные позиции в полосах 309-й и 107-й стрелковых дивизий, имея ближайшей задачей совместно с этими дивизиями прорывать оборону противника, а затем развивать успех на Касторное. Главные силы 40-й армии были сосредоточены в центре на 30-километровом фронте, где в первом эшелоне находились четыре стрелковые дивизии и все танковые войска.
В течение первых пяти дней операции, с 24 по 28 января, войска Брянского и Воронежского фронтов прорвали оборону противника и развивали наступление в глубину. Своеобразной традицией как «наступления богов», так и других операций зимы 1942–1943 гг. стала плохая погода, затруднившая артиллерийскую подготовку и лишившая советские войска поддержки с воздуха. С утра 24 января бушевала метель, видимость была крайне ограниченной. В надежде на то, что метель несколько утихнет, начало артиллерийской подготовки с предрассветных часов перенесли на 12 часов дня. Однако метель не унималась, и независимо от погоды было решено начать артиллерийскую подготовку в 12.30. Как и следовало ожидать, плохая видимость существенно снизила эффективность огня артиллерии. Положение в полосе 40-й армии спасал только тот факт, что оборона на этом направлении была наспех занятой, и на ее оборудование у немецких войск были считаные дни. Одновременно с пехотой начал наступление 4-й танковый корпус, с трудом пробивавшийся через снежные заносы. За день корпус смог преодолеть только 16 км вместо запланированных 35 км. Стрелковые дивизии 40-й армии смогли продвинуться только на 3–6 км или даже вели бой, не продвинувшись ни на йоту от исходных позиций.
На следующий день удачное решение принял командир 4-го танкового корпуса А.Г.Кравченко. Проанализировав данные разведки, он выявил слабое место в обороне противника и выбрал его как направление следующего удара. Благодаря этому корпусу удалось неожиданно прорваться к Горшечному и с ходу ворваться в этот населенный пункт. Далее по плану корпус А.Г.Кравченко должен был наступать на Касторное. Но, преодолевая глубокий снег, в первые два дня операции танки израсходовали много горючего, а колонны автомашин с горючим застряли в пути из-за снежных заносов. Продолжение операции было возможно только после дозаправки. Однако прорыв на Горшечное обеспечил успех стрелковых соединений 40-й армии, продвинувшихся 25 января на 6—18 км. Обнаружив начавшийся отход противника из Воронежа, перешли в наступление и полностью овладели городом войска 60-й армии.
В 8.08 26 января долго остававшийся пассивным участок фронта 13-й армии был освещен огненными шлейфами с визгом проносившихся над заснеженными позициями снарядов «катюш». Вслед за залпом РС загрохотала артиллерия. В 8.55 на позиции немцев обрушились бомбы самолетов 15-й воздушной армии. Пока штурмовики и бомбардировщики перепахивали позиции артиллерии и передний край обороны немцев, танки с десантом автоматчиков начали проходить через боевые позиции пехоты. К наступлению присоединился Брянский фронт. К исходу 26 января оборона противника была прорвана наступающими на глубину 6–7 км, что соответствовало задаче первого дня наступления. В тот же день войска 40-й армии продвинулись еще на 10 км. Однако у противника за спиной еще оставался почти 60-километровый коридор для выхода из-под угрозы окружения на запад.
