Вся окруженная вражеская группировка ударами главных сил 18-го стрелкового корпуса на Каменку и 12-го танкового корпуса 3-й танковой армии на Карпенково была рассечена на две крупные изолированные одна от другой части. Первая из них (острогожско-алексеевская), состоявшая из остатков пяти дивизий, была окружена в районе Острогожск, Иловское, Алексеевка, Татарино, Карпенково, (иск.) Каменка. При этом три дивизии из этой группы были блокированы нашими войсками в Острогожске, где образовался самостоятельный очаг окружения. Вторая крупная группа противника (россошанская группа), в которой насчитывалось до восьми дивизий, оказалась в районе Сагуны, Подгорное, Россошь, Стар. Калитва, Белогорье. К моменту завершения окружения противника войсками фронта уже было пленено около 52 тыс. человек. Потери противника убитыми и ранеными также достигали этой цифры.

В период с 19 по 27 января производилась окончательная ликвидация расчлененной на части острогожско-россошанской группировки врага. Бои по уничтожению войск противника в Острогожске и в районе северо-восточнее Алексеевки продолжались с 19 по 24 января. В этих боях принимали участие войска всех трех ударных группировок фронта. Одновременно с ликвидацией вражеских войск 40-я армия уже с 20 января производила перегруппировку своих сил для осуществления последующей Воронежско-Касторненской операции. Ликвидация россошанской группы врага осуществлялась в период с 19 по 27 января совместными усилиями войск 3-й танковой армии и 18-го стрелкового корпуса также с одновременной перегруппировкой войск для последующей Харьковской операции Воронежского фронта. Первоначально от россошанской группы вражеских войск была отсечена южная ее часть в составе около четырех дивизий. К 20 января эти войска в основном были уничтожены в районе восточнее Россоши. В период с 21 по 23 января ликвидировались остальные силы россошанской группы противника в районе Подгорное. В период с 24 по 27 января было завершено полное уничтожение вырвавшихся из окружения и вышедших из района восточнее Валуек остатков россошанской группы противника.

Таким образом, Острогожско-Россошанская наступательная операция войск Воронежского фронта продолжалась 15 дней. За это время наши войска полностью выполнили поставленную перед ними задачу—окружили и уничтожили крупную группировку противника, оборонявшуюся на Дону между Воронежем и Кантемировкой, освободили важный железнодорожный участок Лиски — Кантемировка и, продвинувшись в глубь вражеского расположения на 140 км, вышли к р. Оскол.

В ходе операции войска фронта разгромили 2-ю венгерскую армию, итальянский альпийский и 24-й немецкий танковый корпуса и большую часть сил оперативного резерва группы армий «Б». Всего за время боевых действий войсками фронта было полностью разгромлено более пятнадцати вражеских дивизий. Кроме того, шести дивизиям противника было нанесено поражение. В боях с 13 по 27 января войска фронта взяли в плен свыше 86 тыс. солдат и офицеров противника.

Результаты проведенной операции привели к резкому изменению соотношения сил в полосе Воронежского фронта в пользу советских войск. Разгромив острогожско-россошанскую группировку врага и выйдя на рубеж Костенки, Семидесятское, Роговато-Погорелое; Городище, войска фронта создали благоприятные условия для проведения новой наступательной операции во взаимодействии с войсками Брянского фронта с целью окружения и уничтожения основных сил 2-й немецкой армии, оборонявшейся в районе Воронежа и Касторное. Овладев важным железнодорожным узлом Валуйки и выйдя на значительном протяжении к железной дороге Касторное — Ворошиловград, наши войска лишили противника возможности использовать эту рокаду для маневра силами и средствами вдоль фронта. Одновременно выход наших войск к р. Оскол в районе Валуек создал советскому командованию благоприятные условия для проведения наступательной операции и на харьковском направлении.