В течение второго дня наступления танковые корпуса, пополненные боеприпасами и горючим, развернули преследование отходившего врага, и к исходу дня их главные силы продвинулись на 20—35 км. Отрыв танковых корпусов от стрелковых войск в течение дня составил 15—25 км.

Стрелковые соединения армии 15 января также действовали успешно, особенно 184-я дивизия, которая за день боя продвинулась на 20 км. Однако отставание правофланговых соединений армии — 37-й стрелковой бригады и 180-й дивизии, вызванное упорным сопротивлением противника в районе населенного пункта Митрофановка, значительно затруднило продвижение главной группировки армии. Фронт наступления 3-й танковой армии к исходу 15 января был расширен до 60 км. Глубина продвижения танковых корпусов увеличилась до 40—50 км. Были созданы благоприятные условия для развития наступления с целью окружения и уничтожения основных сил острогожско-россошанской группировки врага во взаимодействии с 40-й армией и 18-м стрелковым корпусом.

Таким образом, к исходу 15 января в 40-й и 3-й танковой армиях прорыв тактической глубины обороны противника был завершен. 18-му стрелковому корпусу не удалось полностью преодолеть сопротивление врага на второй полосе обороны. Противник успел занять ее своими резервами и задержал продвижение частей корпуса. Но привлечение резервов противника к участку прорыва 18-го стрелкового корпуса способствовало фланговым ударным группировкам фронта успешно выполнить поставленные перед ними задачи.

Боевые действия войск фронта в период с 16 по 18—19 января протекали следующим образом.

Главные силы 40-й армии и 15-й танковый корпус 3-й танковой армии, развивая наступление с нарастающим темпом по сходящимся направлениям на Алексеевку, к исходу 18 января вышли в район Иловское, Алексеевка и завершили таким образом окружение всей острогожско-россошанской группировки врага.

В этот же период 12-й танковый корпус, наступавший от Россоши через Подгорное на Каменку, вышел в район Карпенково, где установил связь с частями 18-го стрелкового корпуса, который, преодолев сопротивление резервов противника на второй полосе его обороны, к этому времени главными силами вел бои в 8 км северо-восточнее Карпенково. Одновременно с развитием наступления на главных направлениях ударные группировки фронта продолжали расширять прорыв в стороны флангов. 40-я армия своей левофланговой 107-й стрелковой дивизией 17 января вышла к городу Острогожску, где соединилась с подошедшими туда в течение 17 и 18 января 309-й стрелковой дивизией и 129-й стрелковой бригадой 18-го стрелкового корпуса. Этим было завершено предусмотренное планом операции окружение войск противника, оборонявшихся на участке фронта между сторожевским и щучьенским плацдармами.

Одновременно с развитием наступления с целью окружения и расчленения вражеской группировки наши войска создавали и внешний фронт окружения. На севере и северо-западе эту задачу выполняли правофланговые соединения 40-й армии, которые, продолжая наступать в течение 16—18 января в указанных им направлениях, к исходу 18 января достигли рубежа Костенки, Караешник и создали на этом рубеже внешний фронт окружения. На юго-западе внешний фронт окружения был образован силами 7-го кавалерийского корпуса. Этот корпус, введенный в прорыв с утра 15 января из-за левого фланга 3-й танковой армии, успешно осуществил обеспечение всей фронтовой операции с юга. Наступая в общем направлении на Ровеньки, Валуйки со средним темпом 30 км в сутки при сильных снежных заносах и при активной деятельности вражеской авиации, корпус на шестой день операции овладел важным железнодорожным узлом Валуйки и закрепился на участке Волоконовка, Уразово. Действуя на внешнем фронте окружения на удалении 75 км от его внутреннего фронта, корпус надежно обеспечил последующие действия войск фронта по окончательной ликвидации войск острогожско-россошанской группировки врага.

Таким образом, на шестой день операции войсками фронта были образованы внутренний и внешний фронты окружения вражеской группировки. При этом на внешнем фронте к моменту завершения окружения наши войска имели около пяти дивизий, что составляло не более 25% от всех сил фронта, принимавших участие в операции.

Образованный нашими войсками внутренний фронт окружения протяженностью свыше 300 км не был сплошным. Наши войска, окружавшие группировку противника, занимали только важнейшие узлы дорог и населенные пункты, находившиеся на наиболее вероятных путях отхода врага. Со стороны наших войск на внутреннем фронте окружения действовало в общей сложности одиннадцать стрелковых дивизий, две стрелковые бригады и два танковых корпуса. Окруженная группировка противника в это время имела около тринадцати дивизий (пять венгерских, четыре немецкие и четыре итальянские). Избежать окружения смогли только две дивизии 3-го венгерского армейского корпуса, остатки 700-го немецкого танкового отряда и одного полка 168-й немецкой пехотной дивизии, которые были отброшены нашими войсками на север и вели бой на внешнем фронте окружения, а также 27-я немецкая танковая дивизия, которая попала под удар соединений правого фланга 6-й армии и уничтожалась ее войсками. 5-я итальянская пехотная дивизия, избежавшая окружения, была уничтожена частями 7-го кавалерийского корпуса.