Не успел бой закончиться, как с востока появилась отступающая колонна неприятельской пехоты с артиллерией и автотранспортом. Танкистам пришлось перейти к обороне. Ночью они выдержали бой с группой противника, пытавшейся прорваться через Кашары на Миллерово. К рассвету 20 декабря враг был разгромлен, остатки его, бросив автомашины и боевое имущество, рассеялись в северо-восточном направлении.
В полдень 20 декабря через Кашары пыталась прорваться на запад еще одна группа пехоты противника на автомашинах. Но и её постигла неудача. В итоге короткого боя она была частично уничтожена, а частично пленена.
Подтянув тылы и произведя дозаправку, танковые части генерала Павлова после небольшого отдыха в ночь на 21 декабря возобновили наступление в общем направлении на Морозовский, периодически вступая в бой с отходящими колоннами противника в районах Фомино-Свечникова, Первомайское и Твердохлебовка.
На левом фланге 18-й танковый корпус генерала Бахарова, действуя в тесной оперативной связи с пехотой и преследуя отходящие группы противника, с боями продвигался на Верхняковский, Мешков — навстречу левофланговой 153-й дивизии, наступавшей с плацдарма у Мрыхина и Бирюкова. За полдня корпус прошел всего 20 км и к 15:00 19 декабря находился в районе Криница, Медово. Лишь 20 декабря корпус вышел в район Мешкова, а к вечеру сюда же подошли и дивизии 6-го гвардейского стрелкового корпуса, соединившись с наступавшими от Мрыхина подразделениями 153-й стрелковой дивизии.
На правом фланге 17-й танковый корпус генерала Полубоярова после тяжелого боя к середине дня 19 декабря силами 67-й танковой и 31-й мотострелковой бригады занял село Талы, обороняемое частью итальянской дивизии «Равенна» и подразделением немецких зенитных орудий. Одновременно вторая колонна корпуса атаковала железнодорожную станцию Кантемировка. Здесь оборонялась другая часть дивизии «Равенна», 90-й артиллерийский полк дивизии «Коссерия», а также отдельные немецкие подразделения, усиленные 654-м батальоном истребителей танков.
Еще ночью с юго-востока к станции Кантемировка вышел передовой 380-й танковый полк левофланговой 174-й танковой бригады, преодолевший за эту ночь 35 км. Вслед за ним сюда вышла и вся бригада, а с востока к Кантемировке подошла следовавшая во втором эшелоне левой колоны 66-я танковая бригада. Упорная оборона села Талы обернулась во вред противнику, не позволив ему вовремя отвести войска для защиты Кантемировки.
К 10 часам утра 19 декабря сопротивление противника на восточной окраине было сломлено, и 66-я танковая бригада продвинулась до центра поселка. Противник упорно оборонялся, его приходилось выбивать квартал за кварталом. Построение бригады было характерным для боев в городе: впереди шел мотострелково-пулеметный батальон капитана А. В. Гарпенского, сзади двигались танки, прикрывая автоматчиков своей артиллерией. С юго-востока наступала 174-я танковая бригада. В районе полудня станция была захвачена ударом с двух сторон, но бои в городе продолжались с неослабевающей силой.
Около 14 часов в Кантемировку с севера вошла 31-я мотострелковая бригада, высвободившаяся после захвата села Талы. К 18 часам вслед за ней сюда подошла и 67-я танковая бригада. После этого очаги сопротивления противника были окончательно подавлены, и к исходу 29 декабря город оказался полностью в наших руках. В Кантемировке было захвачено 1500 пленных (в основном итальянцев), много складов с вооружением, боеприпасами и продовольствием, на путях взяты четыре эшелона с вооружением — в том числе танками. По донесениям командования корпуса, противник потерял до 1000 человек убитыми. Из освобожденных в городе военнопленных к утру 20 декабря был сформирован стрелковый полк численностью около 600 человек под командованием офицера штаба 31-й мотобригады А. М. Короля.
Два дня корпус приводил себя в порядок, подтягивая силы и восстанавливая поврежденную технику.
21 декабря в город вступили стрелковые части 15-го стрелкового корпуса 6-й армии, а в ночь на 22 декабря генерал Полубояров получил приказ возобновить наступление на юг, в направлении на Волошино.
Действия 17-го (4-го гвардейского) танкового корпуса на Миллеровском направлении в декабре 1942 года.
Тем временем итало-немецкие войска оставили свои позиции по линии реки Дон и начали спешно отходить на юг и юго-запад. Глубокий прорыв 24-го и 25-го танковых корпусов создал благоприятные возможности для окружения и уничтожения отходившей из-под Богучара и Мрыхина группировки противника, к исходу 19 декабря сосредоточившейся в районе Арбузовка, Тихая Журавка, Мешков. Немцы именовали эту группировку «боевой группой Михаэлиса». В ее составе находились части итальянских дивизий «Равенна», «Торино» и «Пасубио», 298-й немецкой дивизии, а также подразделения бригад чернорубашечников. Советское командование оценивало численность этой группировки в 20 тысяч человек — однако на самом деле здесь скопилось не менее 50 тысяч солдат и офицеров противника.