Поняв, что 2-я немецкая армия находится в «мешке» и что выход из него будет перекрыт в ближайшие дни, германское руководство предприняло ряд мер по выходу из окружения. От захваченных в плен офицеров советское командование узнало, что их частям приказано начать с утра 26 января отход на запад. Стало также известно, что накануне, 25 января, в восточной зоне дуги противник уже отвел свои войска за Дон, оставив в районе Воронежа только сильное прикрытие. Часть высвободившихся таким образом сил он перебрасывал на Нижнедевицк, где намеревался использовать их для сковывания наступающих соединений 40-й армии.
В этом, собственно, и заключалась тактика, при помощи которой германское командование рассчитывало вырваться из «мешка». В соответствии с ней оно оставляло, подобно тому, как это было в Синих Липягах, сильные подвижные арьергарды на выгодных рубежах, узлах дорог и в населенных пунктах, стремясь под их прикрытием отвести на запад свои главные силы.
Наращивая силу удара, командующий 13-й армией генерал Н. П. Пухов ввел в сражение подвижную группу — 129-ю танковую бригаду полковника Н. В. Петрушина (на 20 января 1943 года 48 боеспособных танков: 7 КВ, 21 Т-34, 20 Т-60, 5 тракторов ЧТЗ-60 и 2 тягача). Танкисты обошли населенный пункт Волово с флангов и вместе с подошедшей 307-й дивизией очистили его от противника. Путь на Касторное с севера был открыт. Попавший в плен начальник разведки 82-й немецкой пехотной дивизии обер-лейтенант Мюллер вынужден был признать: «Русские прорвали нашу оборону и двинулись вперед с такой быстротой, что мы даже опомниться не успели. Командир дивизии убежал на машине, и я его больше не видел… На третий день боев в дивизии осталось не более тысячи солдат».
Немецкое командование понимало: с потерей Касторного возникает реальная угроза окружения основных сил 2-й немецкой армии, а это может привести к образованию огромной бреши в обороне на курском и белгородском направлениях. Поэтому оно принимало все меры, чтобы задержать продвижение советских войск и успеть отвести свою группировку на запад. Бои за населенный пункт Касторное принимали все более ожесточенный характер. Первой на северо-западную окраину города ворвалась 118-я танковая бригада подполковника Л. К. Брегвадзе. На вокзале танкисты увидели на путях готовые к отправке эшелоны с немецкими войсками и техникой. Один из эшелонов уже стал отходить от станции. Однако танк командира 1-го батальона капитана И. И. Волкова в упор расстрелял паровоз, а затем открыл огонь по вагонам. Попытка немцев вывезти войска и технику была сорвана.
Утром 28 января с юга в Касторное ворвался сводный отряд 40-й армии во главе с командиром 45-й танковой бригады 4-го танкового корпуса подполковником П. К. Жидковым. Положение противника становилось критическим. «К моменту выхода в район Касторное оперативная обстановка для нас складывалась довольно благоприятно, так как в обороне врага на участке от железной дороги Касторное — Курск до Купянска образовалась примерно 300-километровая брешь, слабо прикрытая войсками», — отмечал впоследствии маршал А. М. Василевский.
Несмотря на все усилия германского командования, немецкие войска не смогли удержать Касторное. Совместными усилиями армий Брянского и Воронежского фронтов важный узел коммуникаций 29 января был полностью освобожден. Одновременно юго-восточнее Касторного были окружены семь немецких (57, 68, 75, 88, 323, 340-я и 377-я) и две венгерские (6-я и 9-я) дивизии. Причем это произошло как раз в те дни, когда советские войска завершали уничтожение 6-й немецкой армии в районе Сталинграда. Как и армия Паулюса, 2-я немецкая армия считалась одной из лучших в вермахте, и обе они бесславно закончили свое существование. Почти полностью были разгромлены и венгерские войска.
Однако сплошного внутреннего фронта окружения советским войскам, как и ранее, создать не удалось, что значительно осложнило борьбу с окруженной группировкой. Причина заключалась в том, что 28 января, в самый напряженный день операции, командующий войсками фронта генерал-полковник Ф. И. Голиков, исходя из директивы Ставки и в интересах проведения последующей наступательной операции, поставил перед войсками новые задачи: 38-я армия с рубежа реки Оскол должна была нанести удар на Обоянь, 40-я — на Белгород, а 60-я — на Курск. Следовательно, борьба с окруженной группировкой как бы отодвигалась на второй план. Считалось, что ее разгром несколькими соединениями 38-й армии завершится в короткие сроки без привлечения значительных сил и снижения темпов наступления. При этом совсем без внимания оставался тот факт, что численность ее составляла почти 40 тыс. человек, а соединения и части сохранили боеспособность.