5-я танковая армия Юго-Западного фронта, а также 5-я ударная армия Сталинградского фронта должны были наступать с севера и востока против группировки немецких войск в районе Тормосина.
С запада операция обеспечивалась наступлением 6-й армии Воронежского фронта на Кантемировку с выходом ее на рубеж Нов. Калитва, Марковка и ударом 17-го танкового корпуса этой армии через Кантемировку на Волошине.
Все армии, за исключением 5-й танковой армии, были построены в два эшелона. Во втором эшелоне 6, 1-й гвардейской и 3-й гвардейской армий было по одной стрелковой дивизии и танковые и механизированные корпуса этих армий.
Боевые порядки стрелковых корпусов и стрелковых дивизий имели одноэшелонное построение. Стрелковые же полки, как правило, были построены в два эшелона.
Характерным для «Сатурна» было дерзкое сосредоточение сил на направлениях главных ударов. Так, 6-я армия, развернув на 18-километровом участке фронта одну стрелковую дивизию, на 9-километровом участке прорыва сосредоточила четыре стрелковые дивизии и один танковый корпус. Левый сосед 6-й армии, 1-я гвардейская армия, развернув на 127-километровом фронте две стрелковые дивизии, на 18-километровом участке прорыва сосредоточила пять стрелковых дивизий и три танковых корпуса. 3-я гвардейская армия, сосредоточив на 14-километровом участке фронта прорыва четыре стрелковые дивизии и один механизированный корпус, на остальном 75-километровом фронте развернула только три дивизии. Благодаря этому на направлениях главных ударов были созданы значительные плотности войск и техники. Такое ослабление пассивных участков фронта было оправданно, поскольку наступлений и прорывов от армий союзников ожидать не приходилось.
Действия 6-й армии должны были поддерживаться авиацией 2-й воздушной армии Воронежского фронта; действия 1-й гвардейской и 3-й гвардейской армий — 17-й воздушной армией Юго-Западного фронта.
К началу операции советские войска, развернувшиеся на фронте от Нов. Калитва до устья р. Лиска (приток р. Чир), насчитывали в своем составе двадцать пять стрелковых дивизий, четыре танковых, два механизированных и один кавалерийский корпуса, восемь танковых полков, три стрелковые, одну мотострелковую и три танковые бригады.
На этом участке против 6-й армии Воронежского фронта и войск Юго-Западного фронта действовали основные силы 8-й итальянской армии, оперативная группа «Холлидт», остатки 3-й румынской армии и часть сил армейской группы «Гот» в составе девятнадцати пехотных, трех танковых и одной кавалерийской дивизий, трех пехотных бригад и одной сводной группы силою до двух дивизий.
Первым днем наступления стало 16 декабря. В 8.00 в густом тумане началась артиллерийская подготовка. Плохая видимость заставила приблизить наблюдательные артиллерийские пункты к переднему краю обороны противника на расстояние до 250–300 м. Но все системы огня противника и значительная часть его артиллерии не были подавлены. Плохие погодные условия также лишили начальный период «Малого Сатурна» поддержки с воздуха. Самолеты до середины дня в воздух подниматься не могли. Но вновь удача сопутствовала советскому наступлению — под удар наступающих советских войск попали в основном дивизии союзников Германии.
Точно так же, как в ходе наступления по плану «Уран», для завершения прорыва тактической обороны противника пришлось в первый день ввести танковые корпуса армий. Это снизило их боевые возможности при последующих действиях в оперативной глубине. В ожесточенных двухдневных боях танковые корпуса совместно с пехотой прорвали вражескую оборону. К исходу 18 декабря войска 1-й гвардейской и 6-й армий расширили фронт прорыва до 60 км. К этому времени был завершен прорыв и в полосе 3-й гвардейской армии на фронте шириною в 20 км.
После прорыва фронта война перешла в маневренную фазу. Танковые корпуса 6-й и 1-й гвардейской армий, а также механизированный корпус 3-й гвардейской армии начали развивать наступление на юг и юго-восток, уничтожая тылы и отступавшие колонны противника, окружая отдельные его группировки и передавая борьбу с ними подходившим стрелковым дивизиям.
