經過蘇軍連續兩輪打擊，整個B集團軍羣幾乎完全崩潰。2月4日，原第27軍軍長魏斯接替了扎爾穆特的第2集團軍司令職務，指揮殘部退向庫爾斯克方向;匈第2集團軍死亡3萬餘人，被俘6萬人。至此，東線的匈牙利部隊，除了在東線中部負責後方警衛的第102、108步兵師外，幾乎全軍覆沒。
1、頓河上游戰局(上)：突破匈牙利防線
由於斯大林企圖奪取利斯基-坎捷米羅夫卡鐵路，使德B集團軍羣成爲紅軍的下一個目標。在其當面，蘇軍由北向南，展開了502400人的龐大部隊，包括：
西北方向，布良斯克方面軍第13集團軍，部署在葉列茨戰線;中段，沃羅涅日方面軍，部署在沃羅涅日地區，並在頓河右岸控制着一些登陸場;南面，西南方面軍第6集團軍。
其中沃羅涅日方面軍最爲強大。下屬第38、60和第40集團軍，獨立步兵第18軍，空軍第2集團軍，以及新編入的第3坦克集團軍。1月中旬，沃羅涅日方面軍兵力爲347200人，有909輛坦克，208架飛機，各步兵師平均兵力7000人。
當面德軍及其盟友總計30個師，約40萬人。包括：
北面的德國第2集團軍主力;中段匈牙利第2集團軍，德國第24裝甲軍;防守南部的意大利軍殘部。
至於紅軍的目標，利斯基-坎捷米羅夫卡鐵路線，則位於匈意軍負責的中南部戰線。也就是所謂的奧斯特羅戈日斯克-卡緬卡-羅索什地域。防守這段戰線的軸心部隊，由北向南，依次爲：
第4、7匈牙利軍，有7個匈牙利步兵師，每個平均約12000人，2個軍總兵力10萬人;意大利阿爾卑斯軍，3個師，每個師平均約10000至16000人;德第24裝甲軍;意大利第2軍。上述部隊，主要由匈第2集團軍司令亞尼大將和意大利第8集團軍司令加里博爾迪大將指揮。
匈軍的預備隊主要是匈第1野戰裝甲師。該師1942年6月擁有121輛坦克，包括22輛Ⅳ號，其他基本是老舊的38T。爲了加強匈軍的反擊力量，希特勒還派來了德第168、26步兵師，第429步兵團，第559坦克殲擊營，第700裝甲支隊(3個輕型坦克連，1箇中型坦克連)，第190強擊火炮營(32輛強擊火炮)。這些部隊以及匈第1野戰裝甲師，基本都隸屬於1943年1月12日組建的“克拉默”軍，擁有約200餘輛坦克和強擊火炮。“克拉默”軍大都被部署在匈軍負責的中段戰線。對意軍負責的南部側翼比較忽視。
在匈意軍當面，紅軍沃羅涅日方面軍展開了主力。包括第40集團軍(加強有第86、116、150坦克旅)，第18獨立步兵軍(加強有第96、192坦克旅，第262重型坦克團)，第3坦克集團軍。總計624輛坦克。西南方面軍第6集團軍也將從南部協同。以上合計約近30萬兵力，900輛坦克。戰役主要由沃羅涅日方面軍司令戈利科夫負責。爲了監督協調各方面軍，斯大林還派來了最高統帥部代表朱可夫和華西列夫斯基。前者在這個冬天一直奔波於各個戰場。
紅軍用三週時間完成進攻準備。通過偵察，他們發現和北面德第2集團軍相比，匈軍防線比較薄弱。陣地包括兩個防禦地帶。第一個防禦地帶深度6公里，第二個16-20公里。縱深內沒有什麼堅固工事。而在南部坎捷米羅夫卡地域，剛剛敗退下來的意軍，甚至還來不及構築什麼陣地。
瞭解到上述情況，戈利科夫決定將主攻方向對準敵方南翼。爲此，他將第3坦克集團軍集結在塔雷-坎捷米羅夫卡地區。該集團軍司令員是雷巴爾科將軍，編有第12、15坦克軍，第7騎兵軍，4個步兵師，1個步兵旅，3個獨立坦克旅。紙面上有坦克493輛。
但該集團軍實際能用的坦克並沒有那麼多。一直到1942年12月底，第3坦克集團軍都隸屬於大本營預備隊，配置在圖拉以南地區。從1942年12月29日開始，該集團軍被調往前線。由於鐵路終端距離戰場太遠，第3坦克集團軍在結束火車運輸後，又依靠自己的車輛行軍200-250公里，主力於1月13日到達集結地區，而第113、195坦克旅，直到進攻前夕纔到達。全部493輛坦克中，實際到達集結地域的只有371輛，其餘都在行軍中因爲機械故障而掉隊。
紅軍的準備進行地非常隱蔽。可能暴露意圖的戰鬥偵察被絕對禁止，部隊調動幾乎都在夜間進行。雖然德國人戰前似乎聞出一點味道，希特勒還下令給匈軍補充反坦克炮並增派援兵。但僕從軍自己的反應卻頗爲遲鈍。1943年1月7日，匈第2集團軍參謀長科瓦奇將軍還向布達佩斯報告說，蘇軍針對該集團軍的進攻是不太可能的。
5天后的1月12日，沃羅涅日方面軍第40集團軍的幾個先遣營開始行動。他們從戰線北面的斯托羅熱沃耶登陸場出動，襲擊匈第7輕裝步兵師和德第429步兵團陣地。雖然這只是一次試探，卻已經讓匈牙利人亂成一團。經過激戰，蘇軍擊潰匈第7輕步兵師第4團，打開一個6公里寬3公里深的口子，鍥入匈第3、4軍之間。
蘇聯人立刻着手擴大戰果。次日，紅軍第40集團軍發動主攻!在這次行動中，蘇聯人還首次使用了滾壓式坦克掃雷器。戰鬥進行的異常順利，紅軍炮火在幾分鐘內就摧毀了匈牙利人的炮兵觀察所，蘇聯步兵和坦克幾乎毫無損失的衝入敵方陣地，把第7匈牙利輕步兵師打得潰不成軍。爲了遏制紅軍，匈第3軍投入了預備隊的4個營，在德軍第700裝甲支隊支援下發動反擊，但未能取得成功，反而付出了慘重代價：第700裝甲支隊到日終時分只剩下4輛38(T)坦克。通過當天交戰，蘇聯人成功地將突破口擴大爲10公里寬，12公里深。
紅軍第40集團軍在北面發動進攻後，中部和南面的紅軍也在1月14日轉入進攻：中部，紅軍獨立步兵第18軍從休奇耶登陸場發起攻擊，擊潰匈第12輕裝步兵師，突向匈第7軍縱深;南面，坦克第3集團軍的攻勢從16公里正面展開，打擊德第24裝甲軍和意第2軍的結合部;西南方面軍第6集團軍也在南翼進入交戰。
由於匈軍指揮陷入混亂，蘇軍的進攻非常順利。在北部和中部，他們擊退了匈牙利第4、7軍;而在南面進攻的第3坦克集團軍，所屬第12坦克軍前進了18公里，第15坦克軍前進了20公里，並搗毀了日林地域的德第24裝甲軍軍部，該裝甲軍軍長馬丁·汪戴爾炮兵上將也在當天喪命。德軍雖然在1月15日投入了預備隊第168步兵師，也只能暫時減緩一下紅軍的推進速度。
至1月15日日終，紅軍第40集團軍和坦克第3集團軍已從兩側突破軸心軍的整個戰術防禦，擊潰了4個師;中部的紅軍第18軍則在匈軍第二防禦地帶前受阻。與此同時，匈德軍的預備隊：匈第1裝甲師以及德第700裝甲支隊繼續發動反擊。他們主要向蘇軍第40集團軍和第18獨立步兵軍實施衝擊，並在1月16日一度遏制蘇軍的前進。
兩軍在暴風中展開了坦克戰。德匈軍裝備的38T坦克完全不是T-34的對手，四號坦克數量又不多。根據蘇方記錄，紅軍第150坦克旅的1輛T-34在炮彈耗盡後，還開足馬力撞毀了德軍第700裝甲支隊的2輛坦克，其中1輛四號被撞進路溝裏，駕駛員被俘虜。匈德裝甲部隊的反擊很快被擊潰，第1匈牙利野戰裝甲師被打得最後只剩下6輛坦克，並於1943年4月被撤銷。德軍第700裝甲支隊也幾乎覆滅。
軸心國軍隊面臨的危機還在不斷加劇。由於匈德軍把裝甲預備隊投入到北部和中部，正好給南面實施主攻的紅軍第3坦克集團軍提供了可趁之際。事實上，該集團軍主力曾在1月14日由於油料中斷而暫停進攻，只有第12坦克軍所屬第106坦克旅當天夜間繞過敵方的抵抗樞紐，以迅雷不及掩耳之勢奪取了羅索什城。1月15日，這個孤軍深入的坦克旅遭到德軍的兇猛反擊，旅長阿列克謝耶夫上校戰死，大量坦克也被德國飛機擊毀。
但在1月16日，補充了油料的紅軍第12坦克軍衝到了羅索什，趕跑了反擊德軍。與此同時，第15坦克軍也開始前進。
從這天開始，紅軍的包圍圈開始形成。從前線潰退下來的軸心軍隊則在空空如也的後方亂成一團，甚至一些軍部師部也成爲蘇聯坦克的獵物。能夠組織起來的部隊拼命向西逃竄。但蘇聯人並不打算提供機會。
1月17日，紅軍第40集團軍左翼與第18獨立步兵軍會合於奧斯特羅戈日斯克地區，北部和中部紅軍首先建立了聯繫。當天中午，第40集團軍先頭部隊衝到了更西面的伊洛夫斯科耶，直接威脅匈軍退路。匈牙利人只能把當地機場的地勤人員投入戰鬥。第二天，在更爲深遠的阿列克謝耶夫卡地域，紅軍第40集團軍第305步兵師和坦克第3集團軍第15坦克軍會合。在這個地區，僅第15坦克軍就俘虜了4630人。至此，收攏在一起的南北兩路紅軍鐵鉗，截斷了13個軸心國師的退路。
2、頓河上游戰役(下)：擊潰B集團軍羣
受到巨大勝利的鼓舞，華西列夫斯基大將和戈利科夫上將決心回過頭去收拾北面的老對頭：扎爾穆特將軍的德第2集團軍。因爲紅軍在包圍南部匈軍的同時，已在敵方防線上打開了一個寬達150-250公里，縱深100-140公里的大缺口，其右翼突擊集團——紅軍第40集團軍，一路向北突擊，已經深深鍥入德第2集團軍南翼約100公里。而德第2集團軍的北翼，早就處在紅軍第13集團軍的威脅下。這樣，扎爾穆特實際上已經被孤立在沃羅涅日突出部內。
有鑑於此，蘇方決心不等被包圍的敵軍被全殲，就趁熱打鐵吃掉扎爾穆特。具體計劃是：以布良斯克方面軍第13集團軍從北，沃羅涅日方面軍第40集團軍從南，衝向鐵路樞紐卡斯托爾諾耶，合圍並殲滅德軍第2集團軍，然後向哈爾科夫和庫爾斯克進攻。斯大林在1月19日批准了上述計劃。進攻發起時間預定爲24日。
蘇軍除了在北南兩翼，部署了第13集團軍和第40集團軍外，還在中段展開了沃羅涅日方面軍第38、60集團軍。這兩個集團軍將在兩翼突擊集團得手的同時，對被圍德軍實施分割。蘇軍一共投入了500多輛坦克，以及第15、2空軍集團軍的527架飛機。
在蘇軍預定打擊範圍內，軸心國部署了3個軍：沃羅涅日西北陣地，部署着德第2集團軍主力(不包括左翼德第55軍)第13、7軍，總計7個德國步兵師，另有2個德國步兵師部分兵力。每個步兵師約11000餘人;而暴露的南側，部署着匈牙利第3軍2個師，還有一個拼湊起來的“西貝特”軍級集羣。3個軍總計兵員12萬5千人，擁有4500挺機槍，1000門迫擊炮和1100門火炮。從防禦態勢看，德軍防守的北部陣地非常堅固，而南部不僅薄弱，大片地區甚至已經沒有防禦可言。
1943年1月1日德國第2集團軍戰鬥序列
第13軍(1942年12月22日，第377、340、68、82步兵師)
第7軍(1942年12月22日，第323、75、57步兵師，第383步兵師1/3兵力)
第55軍(1942年12月22日，第88步兵師2/3兵力，第383步兵師2/3兵力，第45、299步兵師)
第88步兵師一部
總計11個步兵師
面對紅軍的威脅，B集團軍羣司令魏克斯在1月21日向希特勒告急。但蘇聯人不會等待德國人加強防禦或者撤退。經過4天的短促準備後，1月24日，紅軍第40集團軍首先發起進攻!
蘇聯人在突破地段每公里正面部署了40-90門火炮迫擊炮，經過30-100分鐘炮擊，脆弱不堪的德匈軍防線即告破裂，蘇聯步兵坦克蜂擁而入。第40集團軍所屬坦克第4軍(219輛坦克)在進攻第一天已突入縱深達16公里，第二天就攻佔了這一地區的中心城市戈爾舍奇諾耶。只是由於積雪太厚，燃油供應不足，坦克第4軍才暫時停頓下來。但德國人也沒有多大力量阻止，只是從頓河地區調來了2個步兵團加以增援。
到了1月25日，紅軍第40集團軍已向北突入德軍南翼25公里，迫近卡斯托爾諾耶。德軍的退路受到嚴重威脅。德軍司令扎爾穆特決心放棄沃羅涅日。但他的行動卻被蘇第60集團軍偵察部隊發現，該集團軍先頭部隊遂於1月24日夜間發動進攻，在25日拂曉前佔領了被德軍放火焚燒的沃羅涅日。25-26日，紅軍第60、38集團軍主力陸續轉入進攻。
1月26日，面對德軍北翼的紅軍第13集團軍也開始行動，一天就推進了6-7公里。而南面的紅軍第40集團軍坦克第4軍，在得到了空運燃油後，也在1月27日拂曉開始繼續向北推進。紅軍南北兩個鋒頭直指卡斯托爾諾耶。
1月28日，紅軍第40和第13集團軍的坦克衝入了卡斯托爾諾耶城郊。接着，蘇軍步兵完全控制了該城。德第2集團軍的主要退路已被截斷，在卡斯托爾諾耶東南地區陷入包圍。被圍部隊包括德第7軍(軍長黑爾炮兵上將)和第13軍(軍長施特勞貝步兵上將)的主力，共計7個德國師，另有匈第3軍所屬2個師。被包圍兵力總數約在10萬左右。只有德第2集團軍北翼的第55軍得以逃脫。
圍殲這股德軍的任務理論上被交給蘇第40、38、60集團軍。但此時蘇軍統帥們似乎對此已失去興趣，他們現在關心的是繼續向前推進，以便及早打到哈爾科夫和庫爾斯克。因此留下來收拾扎爾穆特的部隊並不太多。如第40集團軍，就要負責從2月1日開始對別爾哥羅德的衝擊。因爲兵力不足，在從卡斯托爾諾耶到舊奧斯科爾寬達50公里的正面上，蘇軍只有戰鬥力削弱嚴重的近衛步兵第25師。
這給被包圍的德國軍隊提供了一線生機。他們開始冒着攝氏零下25度的嚴寒實施突圍。2月2日，德軍突破了蘇軍包圍對內正面，衝向卡斯托爾諾耶、戈爾舍奇諾耶。在接下來的半個月裏，德軍衝破了紅軍第38集團軍的層層阻擊，最終在2月17日於奧博揚突破包圍。在厚厚的積雪中艱難跋涉了180多公里後，第2集團軍殘部回到了德軍防線。逃出來的部隊包括6個相對完整的師，但人員已疲憊不堪，重型裝備也損失殆盡。
經過蘇軍連續兩輪打擊，整個B集團軍羣幾乎完全崩潰：德第2集團軍只有第55軍還比較完整。2月4日，原第27軍軍長魏斯接替了扎爾穆特的第2集團軍司令職務，指揮殘部退向庫爾斯克方向;匈第2集團軍死亡3萬餘人，被俘6萬人。至此，東線的匈牙利部隊，除了在東線中部負責後方警衛的第102、108步兵師外，幾乎全軍覆沒;意大利第8集團軍只有阿爾卑斯山地步兵軍的少數部隊倖免;編入意匈軍的德軍幾個師只剩下殘部;德第24裝甲軍接連損失了2個軍長，該軍1942年12月22日擁有的第27裝甲師、第385、387步兵師，第213警衛師中，第385、387步兵師已被殲滅並撤銷番號。
B集團軍羣的崩潰，導致德軍戰線上出現一個從利夫內到庫皮揚斯克，寬達400公里的可怕缺口。蘇軍涌入這個缺口，向着庫爾斯克和哈爾科夫猛衝;缺口北側的德軍中央集團軍羣，和南側的頓河集團軍羣，事實上已經失去了聯繫，彼此的側翼也處於嚴重威脅下。德國的東部戰線被斬成了兩段!
