Получив после полудня новые сведения о занятии красными хутора Старомахинского и ст. Ольгинской и движении крупных сил конницы противника на хутор Злодейский в разрез между 3-м Донским и Добровольческим корпусами (4-й Донской конный корпус, находившийся в резерве против стыка этих корпусов, еще не втянулся в бой), командующий Донской армией отдал новую директиву: «Противник после боя к вечеру 5 (18) января занял конными частями Старомахинский, Ольгинскую и х. Злодейский и лезет в мешок. Более благоприятной обстановки для нас ожидать нельзя. На 6 (19) января приказываю разбить переправившегося через Дон противника, для чего приказываю: 1) Ген. Гусельщикову – 3-й Донской корпус – передав в подчинение Комкору 4-го конного 10-ю кон. бригаду и подчинив себе 1-ю Пластунскую дивизию ген. Карповича, атаковать противника в направлении на Ольгинскую, прочно обеспечив себя со стороны Старочеркасской станицы. 2) Ген. Павлову – 4-й Донской Конный корпус, – подчинив себе 10-ю кон. бригаду, атаковать в направлении на х. Злодейский. 3) Ген. Кутепову – Добровольческий корпус, – сосредоточив всю конницу в районе Батайска (добровольч. кон. бригада ген. Барбовича и Кубано-Терский Сводный корпус ген. Топоркова), атаковать во фланг и тыл Злодейскую группу противника. 4) Начало атаки всех корпусов – с рассветом. 5) О получении донести. № 064-К. 5 января, 19 часов 15 мин., 1920 г. Станица Сосыка. Ген. Сидорин».
Захватив ст. Ольгинскую, Конармия Буденного, поддержанная на правом фланге 12-й стрелковой дивизией, наступавшей с севера на Батайск, а на левом 16-й и 33-й стрелковыми дивизиями, наступавшими на Ольгинскую и Старочеркасскую, с утра 6 (19) января вновь перешла в наступление с целью развить свой успех. Для противодействия ей и ликвидации прорыва генерал Сидорин сосредоточил на небольшом участке фронта Батайск – Ольгинская— Старомахинский более 12 тысяч конницы, а кроме того, на этом участке действовала и пехота 3-го Донского корпуса. Казачьи части с трех сторон охватывали прорывавшуюся группу войск противника и, после ожесточенного боя, разгромили ее, принудив к беспорядочному отступлению.
По советским источникам, 1-й конной армией было произведено в течение дня до девяти конных атак, но все они были отбиты противником, и к вечеру шло беспорядочное отступление красной конницы. Начальникам конных частей с большим трудом удалось установить порядок и, прикрывая свой отход рядом контратак, к вечеру с большинством частей вернуться в Ростов. Некоторое количество частей отошло к ст. Ольгинской, где некоторые из них задержались, а остальные с наступлением темноты присоединились к армии, пробравшись в Ростов и Нахичевань.
По данным штаба Донской армии, этот бой протекал следующим образом: «6 (19) января 1920 г. части ударной группы (4-й Дон. кон. корпус) в 9 часов выступили в направлении на Ольгинскую для атаки переправившегося противника. В 11 часов части начали развертывание в боевой порядок на линии Сухой Балки – Батайск. В 13 часов в районе х. Злодейского части корпуса завязали бой с конницей противника. Бой отличался особенным ожесточением и до 15 часов не давал перевеса ни той ни другой стороне. В 15 часов противник, разделив свои силы, одну дивизию направил против Батайска. Воспользовавшись этим, командир 4-го корпуса ген. Павлов ввел в бой свой резерв в тыл Батайской группе красных. Противник не выдержал и начал постепенно отходить, преследуемый нашими частями. Отступление противника скоро перешло в беспорядочное бегство, причем красные бросали орудия, пулеметы и ящики со снарядами. Некоторые части противника бросились по болотам к Дону. Лед на болотах проваливался, и орудия красных завязли. К ст. Ольгинской части корпуса подошли в полной темноте и были встречены сильным артиллерийским и пулеметным огнем пехоты, занявшей окопы на окраине станицы. Оставив одну бригаду против Ольгинской, корпус отошел в район Злодейской, имея в виду на следующий день утром продолжать успешно начатую операцию. За день боя наши части взяли 9 орудий, 50 пулеметов, много снарядов, винтовок и обозы. Корпус понес большие потери».
Когда разбитая казаками Конармия Буденного вечером 6 (19) января поспешно в беспорядке отступила на правый берег Дона, в ст. Ольгинской задержались части 16-й стрелковой и 11-й кавалерийской дивизий, а в ст. Старочеркасской – 33-я советская стрелковая дивизия. Часть последней, по свидетельству бывшего комиссара 11-й кавалерийской дивизии Озолина, тоже защищала ст. Ольгинскую. Эти дивизии были отлично вооружены как многочисленными пулеметами, так и артиллерией, почему части 4-го Донского конного корпуса, подойдя к ст. Ольгинской в темноте, не смогли выбить прочно засевшего там противника.