在苏军预定打击范围内，轴心国部署了3个军：沃罗涅日西北阵地，部署着德第2集团军主力（不包括左翼德第55军）第13、7军，总计7个德国步兵师，另有2个德国步兵师部分兵力。每个步兵师约11000余人；而暴露的南侧，部署着匈牙利第3军2个师，还有一个拼凑起来的“西贝特”军级集群。3个军总计兵员12万5千人，拥有4500挺机枪，1000门迫击炮和1100门火炮。从防御态势看，德军防守的北部阵地非常坚固，而南部不仅薄弱，大片地区甚至已经没有防御可言。
1943年1月1日德国第2集团军战斗序列
第13军（1942年12月22日，第377、340、68、82步兵师）
第7军（1942年12月22日，第323、75、57步兵师，第383步兵师1/3兵力）
第55军（1942年12月22日，第88步兵师2/3兵力，第383步兵师2/3兵力，第45、299步兵师）
第88步兵师一部
总计11个步兵师
面对红军的威胁，B集团军群司令魏克斯在1月21日向希特勒告急。但苏联人不会等待德国人加强防御或者撤退。经过4天的短促准备后，1月24日，红军第40集团军首先发起进攻！
苏联人在突破地段每公里正面部署了40-90门火炮迫击炮，经过30-100分钟炮击，脆弱不堪的德匈军防线即告破裂，苏联步兵坦克蜂拥而入。第40集团军所属坦克第4军（219辆坦克）在进攻第一天已突入纵深达16公里，第二天就攻占了这一地区的中心城市戈尔舍奇诺耶。只是由于积雪太厚，燃油供应不足，坦克第4军才暂时停顿下来。但德国人也没有多大力量阻止，只是从顿河地区调来了2个步兵团加以增援。
到了1月25日，红军第40集团军已向北突入德军南翼25公里，迫近卡斯托尔诺耶。德军的退路受到严重威胁。德军司令扎尔穆特决心放弃沃罗涅日。但他的行动却被苏第60集团军侦察部队发现，该集团军先头部队遂于1月24日夜间发动进攻，在25日拂晓前占领了被德军放火焚烧的沃罗涅日。25-26日，红军第60、38集团军主力陆续转入进攻。
1月26日，面对德军北翼的红军第13集团军也开始行动，一天就推进了6-7公里。而南面的红军第40集团军坦克第4军，在得到了空运燃油后，也在1月27日拂晓开始继续向北推进。红军南北两个锋头直指卡斯托尔诺耶。
1月28日，红军第40和第13集团军的坦克冲入了卡斯托尔诺耶城郊。接着，苏军步兵完全控制了该城。德第2集团军的主要退路已被截断，在卡斯托尔诺耶东南地区陷入包围。被围部队包括德第7军(军长黑尔炮兵上将)和第13军(军长施特劳贝步兵上将)的主力，共计7个德国师，另有匈第3军所属2个师。被包围兵力总数约在10万左右。只有德第2集团军北翼的第55军得以逃脱。
围歼这股德军的任务理论上被交给苏第40、38、60集团军。但此时苏军统帅们似乎对此已失去兴趣，他们现在关心的是继续向前推进，以便及早打到哈尔科夫和库尔斯克。因此留下来收拾扎尔穆特的部队并不太多。如第40集团军，就要负责从2月1日开始对别尔哥罗德的冲击。因为兵力不足，在从卡斯托尔诺耶到旧奥斯科尔宽达50公里的正面上，苏军只有战斗力削弱严重的近卫步兵第25师。
这给被包围的德国军队提供了一线生机。他们开始冒着摄氏零下25度的严寒实施突围。2月2日，德军突破了苏军包围对内正面，冲向卡斯托尔诺耶、戈尔舍奇诺耶。在接下来的半个月里，德军冲破了红军第38集团军的层层阻击，最终在２月17日于奥博扬突破包围。在厚厚的积雪中艰难跋涉了180多公里后，第2集团军残部回到了德军防线。逃出来的部队包括6个相对完整的师，但人员已疲惫不堪，重型装备也损失殆尽。
经过苏军连续两轮打击，整个Ｂ集团军群几乎完全崩溃：德第2集团军只有第55军还比较完整。2月4日，原第27军军长魏斯接替了扎尔穆特的第2集团军司令职务，指挥残部退向库尔斯克方向；匈第2集团军死亡3万余人，被俘6万人。至此，东线的匈牙利部队，除了在东线中部负责后方警卫的第102、108步兵师外，几乎全军覆没；意大利第８集团军只有阿尔卑斯山地步兵军的少数部队幸免；编入意匈军的德军几个师只剩下残部；德第24装甲军接连损失了2个军长，该军1942年12月22日拥有的第27装甲师、第385、387步兵师，第213警卫师中，第385、387步兵师已被歼灭并撤销番号。
