Сознание того, что за обороняемыми позициями находится мощный танковый резерв, укрепляло стойкость гвардейцев-пехотинцев в бою, а действия врага делало менее уверенными и нервными. Одновременно стрелковые дивизии перешли в контратаку по всему переднему краю обороны армии, дезорганизуя и распыляя силы врага, пытавшегося сосредоточить их в направлении Васильевки. План противника был сорван.
Пять дней и ночей продолжались неистовые атаки врага. Пять суток мужественно отбивали гвардейцы яростный натиск, но позиций своих не уступили. Более того, соединения 2-й гвардейской армии захватили ряд важных плацдармов на южном берегу реки Мышкова, столь необходимых для обеспечения последующих наступательных действий.
В ночь на 24 декабря после тщательного обсуждения Военным советом армии деталей намеченного на завтра наступления Бирюзов представил на подпись командующему окончательный проект боевого приказа и попросил разрешения вновь отправиться в район Васильевки, где изготовились к наступлению части 13-го гвардейского стрелкового корпуса генерал-майора Чанчибадзе.
Малиновский, смертельно уставший за эти дни, внимательно оглядел своего начальника штаба... Высокий, худой, с ввалившимися щеками на потемневшем лице - видно было, что держался из последних сил, но держался.
- Хочешь быть в двух ипостасях, Сергей Семенович, - начальника штаба армии и наставника командира корпуса, - устало пошутил Малиновский. Смотрите, не поссорьтесь там с Чанчибадзе: ему энергии и самостоятельности тоже не занимать.
- Отпустите его, Родион Яковлевич, - смеясь, заступился член Военного совета Ларин, - с Чанчибадзе они уже сговорились. А энергия там втройне нужна. Немцы в районе Васильевки прямо-таки вцепились в нашу оборону. Для обоих дел хватит. Вы же знаете, что руководство штабом он не ослабит ни на минуту...
В восемь часов утра после десятиминутного огневого налета артиллерии по переднему краю и ближайшей глубине вражеской обороны войска 2-й гвардейской армии перешли в решительное наступление.
Находясь в левофланговом корпусе, генерал Бирюзов внимательно всматривался в картину развивающегося сражения. Как он и предполагал, противник яростно отстаивал рубежи, достигнутые столь дорогой ценой в предыдущие дни. Контратакуя пехотой и танками во взаимодействии с артиллерией и авиацией, враг отчаянно сопротивлялся, особенно в самой Васильевке. Там разгорались ожесточенные рукопашные схватки. Рассыпавшись по переулкам, дворам и домам Васильевки, бойцы 3-й и 49-й гвардейских стрелковых дивизий штыками, гранатами и ножами уничтожали вражеских солдат и офицеров. Те, однако, остервенело цеплялись за этот важный опорный пункт, гарнизон которого еще вчера вечером мог наблюдать зарево близкого сражения на внутреннем фронте окружения под Сталинградом.
В течение нескольких часов напряженного боя Васильевка была освобождена. Оставив на ее улицах и в предместьях свыше пятисот трупов своих солдат и офицеров, а также двадцать врытых в мерзлую землю танков, противник начал отходить на юг. И с других участков поступали донесения, свидетельствовавшие о том, что противник во всей полосе армии начал поворачивать вспять. Бирюзов попросил разрешения командарма на ввод в бой 2-го гвардейского и приданного армии 7-го гвардейского механизированного корпусов. Лично убедившись, как могучим потоком устремились они во фланг и тыл отступающего противника, уже поздно вечером с большим удовлетворением подписал оперативную сводку. Она начиналась словами: "С утра 24 декабря войска армии главными силами перешли в наступление... Огнем артиллерии и минометов противник пытается задержать наступление наших войск, но всюду сметается с пути. Набирая темпы и развивая успех, гвардейцы стремительно продвигаются вперед..."
Много лет спустя после окончания войны Бирюзов прочел оценку этого дня бывшим командующим группой армий "Дон" фельдмаршалом Манштейном: "Итак, теперь и на фронте восточнее реки Дон пробил час, когда инициатива перешла в руки противника".
Таким образом, попытка немецко-фашистского командования деблокировать армию Паулюса завершилась полным провалом ее организаторов и блестящей победой 2-й гвардейской армии, у оперативного штурвала которой находился Сергей Семенович Бирюзов.