12-й танковый корпус при поддержке 1172-го истребительно-противотанкового артиллерийского полка, 46-го отдельного инженерного батальона и 319-го полка ПВО вводился в прорыв на участках 180-й и 48-й гвардейской стрелковых дивизий у Пасеково. Ему предписывалось развивать прорыв в общем направлении Михайловка, Шрамовка, Лизиновка, Ольховатка, по достижении Шрамовки выделить танковую и мотострелковую бригады для действий в направлении Софиевка, Россошь, Гончаровка. К исходу первого дня операции левой группе корпуса приказывалось выйти в район Лизиновка, Чагары, а правой группе – занять Россошь.
15-й танковый корпус при поддержке 265-го истребительно-противотанкового артиллерийского полка, 47-го отдельного инженерного батальона и 71-го полка ПВО вводился в прорыв на участках 184-й и 48-й гвардейской стрелковых дивизий. Он должен был развивать наступление в общем направлении Куликовка, Еленовка, Новоселково, Неровновка и к исходу первого дня операции выйти в район Новоселково, Александровка.
В полосе предстоящего наступления 3-й танковой армии оборонялись 543-й пехотный полк 387-й пехотной дивизии, остатки 114-го пехотного полка, 15-й и 3-й полицейские полки СС, полк «Великая Германия». Кроме того, предполагалось сосредоточение частей 130-й пехотной дивизии в Митрофановке, 168-й и неустановленной пехотной дивизии – в Россоши. Оборона противника представляла собой систему опорных пунктов, оборудованных окопами полного профиля и блиндажами. В населенных пунктах дома были приспособлены под огневые точки. На направлениях вероятного наступления советских войск были установлены минные поля.
Перед началом операции 12 января в полосе 40-й армии была проведена разведка боем силами передовых отрядов, которые вклинились в оборону противника на 6 км по фронту и более чем на 3 км в глубину. На рассвете 13 января после мощной артиллерийской подготовки войска первого эшелона армии перешли в наступление и к 14 ноября осуществили прорыв тактической зоны обороны противника, создав благоприятные условия для активных действий войск левого фланга 60-й армии.
Как же развивались события в полосе 3-й танковой армии?
Задержка сосредоточения войск 3-й танковой армии и артиллерии РГК, отсутствие требуемых для ведения наступления запасов боеприпасов, горючего и продовольствия привели к переносу начала наступления на утро 14 января. Из-за сильного тумана (видимость ограничивалась 5—10 метрами) командующий армией генерал Рыбалко вынужден был перенести начало артиллерийской подготовки с 8 часов на 10 часов 45 минут.
После артиллерийской подготовки, продолжавшейся полтора часа, стрелковые соединения 3-й танковой армии при поддержке 173-й и 179-й отдельных танковых бригад перешли в атаку. Противник, невзирая на понесенные в ходе артиллерийской подготовки потери, оказал упорное сопротивление. В результате продвижение стрелковых частей было медленным. Поэтому около трех часов дня генерал Рыбалко принял решение ввести в сражение эшелон развития прорыва. Это позволило сломить сопротивление врага, который начал поспешно отходить в северном и северо-западном направлениях. К исходу дня 14 января 12-й танковый корпус под командованием полковника М.И. Зиньковича продвинулся до 18 км и овладел Шрамовкой, а 15-й танковый корпус генерала В.А. Копцова, преодолев 20 км, занял Жилино, где разгромил штабы 24-го танкового корпуса, 385-й и 387-й пехотных дивизий и двух полков СС. С выходом на этот рубеж корпуса вынуждены были остановиться, так как в баках танков не осталось горючего.
В ночь на 15 января продолжала наступать только 106-я танковая бригада (16 танков) 12-го танкового корпуса под командованием полковника И. Е. Алексеева. Обходя узлы сопротивления, она на рассвете ворвалась в Россошь и освободила город. Однако в середине дня противник при поддержке авиации перешел в наступление. Бригада, израсходовав почти все горючее и боеприпасы, оказалась в окружении. Но танкисты не дрогнули. Стремительным ударом они пробились к станции и закрепились. Здесь в ожесточенном бою погиб командир бригады полковник И.Е. Алексеев.
Одновременно утром 15 января в наступление перешел 18-й отдельный стрелковый корпус, наносивший главный удар на Каменку. Часть сил (одна дивизия) корпуса наступала в направлении Марки, Старые Сагуны, чтобы во взаимодействии с 270-й стрелковой дивизией, наступавшей из района Павловска, уничтожить левофланговый корпус венгерской армии.
Утром 16 января к Россоши подошли главные силы 12-го танкового корпуса, и город вновь был освобожден от врага. В тот же день части 12-го танкового корпуса заняли Каменку, а 15-й танковый корпус – Ольховатку. В результате в окружении оказались итальянский корпус и часть сил 156-й пехотной дивизии. Оставалось только пленить или уничтожить эти части и соединения. Однако генерал Рыбалко допустил просчет: увлекшись, очевидно, первым успехом, он выделил для этой цели слишком мало сил – всего одну дивизию. Альпийские дивизии итальянцев смяли ее боевые порядки и начали отход на Валуйки, правда, без артиллерии и тылов.