经过苏军连续两轮打击，整个B集团军群几乎完全崩溃。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。
1、顿河上游战局(上)：突破匈牙利防线
由于斯大林企图夺取利斯基-坎捷米罗夫卡铁路，使德B集团军群成为红军的下一个目标。在其当面，苏军由北向南，展开了502400人的庞大部队，包括：
西北方向，布良斯克方面军第13集团军，部署在叶列茨战线;中段，沃罗涅日方面军，部署在沃罗涅日地区，并在顿河右岸控制着一些登陆场;南面，西南方面军第6集团军。
其中沃罗涅日方面军最为强大。下属第38、60和第40集团军，独立步兵第18军，空军第2集团军，以及新编入的第3坦克集团军。1月中旬，沃罗涅日方面军兵力为347200人，有909辆坦克，208架飞机，各步兵师平均兵力7000人。
当面德军及其盟友总计30个师，约40万人。包括：
北面的德国第2集团军主力;中段匈牙利第2集团军，德国第24装甲军;防守南部的意大利军残部。
至于红军的目标，利斯基-坎捷米罗夫卡铁路线，则位于匈意军负责的中南部战线。也就是所谓的奥斯特罗戈日斯克-卡缅卡-罗索什地域。防守这段战线的轴心部队，由北向南，依次为：
第4、7匈牙利军，有7个匈牙利步兵师，每个平均约12000人，2个军总兵力10万人;意大利阿尔卑斯军，3个师，每个师平均约10000至16000人;德第24装甲军;意大利第2军。上述部队，主要由匈第2集团军司令亚尼大将和意大利第8集团军司令加里博尔迪大将指挥。
匈军的预备队主要是匈第1野战装甲师。该师1942年6月拥有121辆坦克，包括22辆Ⅳ号，其他基本是老旧的38T。为了加强匈军的反击力量，希特勒还派来了德第168、26步兵师，第429步兵团，第559坦克歼击营，第700装甲支队(3个轻型坦克连，1个中型坦克连)，第190强击火炮营(32辆强击火炮)。这些部队以及匈第1野战装甲师，基本都隶属于1943年1月12日组建的“克拉默”军，拥有约200余辆坦克和强击火炮。“克拉默”军大都被部署在匈军负责的中段战线。对意军负责的南部侧翼比较忽视。
在匈意军当面，红军沃罗涅日方面军展开了主力。包括第40集团军(加强有第86、116、150坦克旅)，第18独立步兵军(加强有第96、192坦克旅，第262重型坦克团)，第3坦克集团军。总计624辆坦克。西南方面军第6集团军也将从南部协同。以上合计约近30万兵力，900辆坦克。战役主要由沃罗涅日方面军司令戈利科夫负责。为了监督协调各方面军，斯大林还派来了最高统帅部代表朱可夫和华西列夫斯基。前者在这个冬天一直奔波于各个战场。
红军用三周时间完成进攻准备。通过侦察，他们发现和北面德第2集团军相比，匈军防线比较薄弱。阵地包括两个防御地带。第一个防御地带深度6公里，第二个16-20公里。纵深内没有什么坚固工事。而在南部坎捷米罗夫卡地域，刚刚败退下来的意军，甚至还来不及构筑什么阵地。
了解到上述情况，戈利科夫决定将主攻方向对准敌方南翼。为此，他将第3坦克集团军集结在塔雷-坎捷米罗夫卡地区。该集团军司令员是雷巴尔科将军，编有第12、15坦克军，第7骑兵军，4个步兵师，1个步兵旅，3个独立坦克旅。纸面上有坦克493辆。
但该集团军实际能用的坦克并没有那么多。一直到1942年12月底，第3坦克集团军都隶属于大本营预备队，配置在图拉以南地区。从1942年12月29日开始，该集团军被调往前线。由于铁路终端距离战场太远，第3坦克集团军在结束火车运输后，又依靠自己的车辆行军200-250公里，主力于1月13日到达集结地区，而第113、195坦克旅，直到进攻前夕才到达。全部493辆坦克中，实际到达集结地域的只有371辆，其余都在行军中因为机械故障而掉队。
红军的准备进行地非常隐蔽。可能暴露意图的战斗侦察被绝对禁止，部队调动几乎都在夜间进行。虽然德国人战前似乎闻出一点味道，希特勒还下令给匈军补充反坦克炮并增派援兵。但仆从军自己的反应却颇为迟钝。1943年1月7日，匈第2集团军参谋长科瓦奇将军还向布达佩斯报告说，苏军针对该集团军的进攻是不太可能的。
5天后的1月12日，沃罗涅日方面军第40集团军的几个先遣营开始行动。他们从战线北面的斯托罗热沃耶登陆场出动，袭击匈第7轻装步兵师和德第429步兵团阵地。虽然这只是一次试探，却已经让匈牙利人乱成一团。经过激战，苏军击溃匈第7轻步兵师第4团，打开一个6公里宽3公里深的口子，锲入匈第3、4军之间。
苏联人立刻着手扩大战果。次日，红军第40集团军发动主攻!在这次行动中，苏联人还首次使用了滚压式坦克扫雷器。战斗进行的异常顺利，红军炮火在几分钟内就摧毁了匈牙利人的炮兵观察所，苏联步兵和坦克几乎毫无损失的冲入敌方阵地，把第7匈牙利轻步兵师打得溃不成军。为了遏制红军，匈第3军投入了预备队的4个营，在德军第700装甲支队支援下发动反击，但未能取得成功，反而付出了惨重代价：第700装甲支队到日终时分只剩下4辆38(T)坦克。通过当天交战，苏联人成功地将突破口扩大为10公里宽，12公里深。
红军第40集团军在北面发动进攻后，中部和南面的红军也在1月14日转入进攻：中部，红军独立步兵第18军从休奇耶登陆场发起攻击，击溃匈第12轻装步兵师，突向匈第7军纵深;南面，坦克第3集团军的攻势从16公里正面展开，打击德第24装甲军和意第2军的结合部;西南方面军第6集团军也在南翼进入交战。
由于匈军指挥陷入混乱，苏军的进攻非常顺利。在北部和中部，他们击退了匈牙利第4、7军;而在南面进攻的第3坦克集团军，所属第12坦克军前进了18公里，第15坦克军前进了20公里，并捣毁了日林地域的德第24装甲军军部，该装甲军军长马丁·汪戴尔炮兵上将也在当天丧命。德军虽然在1月15日投入了预备队第168步兵师，也只能暂时减缓一下红军的推进速度。
至1月15日日终，红军第40集团军和坦克第3集团军已从两侧突破轴心军的整个战术防御，击溃了4个师;中部的红军第18军则在匈军第二防御地带前受阻。与此同时，匈德军的预备队：匈第1装甲师以及德第700装甲支队继续发动反击。他们主要向苏军第40集团军和第18独立步兵军实施冲击，并在1月16日一度遏制苏军的前进。
两军在暴风中展开了坦克战。德匈军装备的38T坦克完全不是T-34的对手，四号坦克数量又不多。根据苏方记录，红军第150坦克旅的1辆T-34在炮弹耗尽后，还开足马力撞毁了德军第700装甲支队的2辆坦克，其中1辆四号被撞进路沟里，驾驶员被俘虏。匈德装甲部队的反击很快被击溃，第1匈牙利野战装甲师被打得最后只剩下6辆坦克，并于1943年4月被撤销。德军第700装甲支队也几乎覆灭。
轴心国军队面临的危机还在不断加剧。由于匈德军把装甲预备队投入到北部和中部，正好给南面实施主攻的红军第3坦克集团军提供了可趁之际。事实上，该集团军主力曾在1月14日由于油料中断而暂停进攻，只有第12坦克军所属第106坦克旅当天夜间绕过敌方的抵抗枢纽，以迅雷不及掩耳之势夺取了罗索什城。1月15日，这个孤军深入的坦克旅遭到德军的凶猛反击，旅长阿列克谢耶夫上校战死，大量坦克也被德国飞机击毁。
但在1月16日，补充了油料的红军第12坦克军冲到了罗索什，赶跑了反击德军。与此同时，第15坦克军也开始前进。
从这天开始，红军的包围圈开始形成。从前线溃退下来的轴心军队则在空空如也的后方乱成一团，甚至一些军部师部也成为苏联坦克的猎物。能够组织起来的部队拼命向西逃窜。但苏联人并不打算提供机会。
1月17日，红军第40集团军左翼与第18独立步兵军会合于奥斯特罗戈日斯克地区，北部和中部红军首先建立了联系。当天中午，第40集团军先头部队冲到了更西面的伊洛夫斯科耶，直接威胁匈军退路。匈牙利人只能把当地机场的地勤人员投入战斗。第二天，在更为深远的阿列克谢耶夫卡地域，红军第40集团军第305步兵师和坦克第3集团军第15坦克军会合。在这个地区，仅第15坦克军就俘虏了4630人。至此，收拢在一起的南北两路红军铁钳，截断了13个轴心国师的退路。
2、顿河上游战役(下)：击溃B集团军群
受到巨大胜利的鼓舞，华西列夫斯基大将和戈利科夫上将决心回过头去收拾北面的老对头：扎尔穆特将军的德第2集团军。因为红军在包围南部匈军的同时，已在敌方防线上打开了一个宽达150-250公里，纵深100-140公里的大缺口，其右翼突击集团——红军第40集团军，一路向北突击，已经深深锲入德第2集团军南翼约100公里。而德第2集团军的北翼，早就处在红军第13集团军的威胁下。这样，扎尔穆特实际上已经被孤立在沃罗涅日突出部内。
有鉴于此，苏方决心不等被包围的敌军被全歼，就趁热打铁吃掉扎尔穆特。具体计划是：以布良斯克方面军第13集团军从北，沃罗涅日方面军第40集团军从南，冲向铁路枢纽卡斯托尔诺耶，合围并歼灭德军第2集团军，然后向哈尔科夫和库尔斯克进攻。斯大林在1月19日批准了上述计划。进攻发起时间预定为24日。
苏军除了在北南两翼，部署了第13集团军和第40集团军外，还在中段展开了沃罗涅日方面军第38、60集团军。这两个集团军将在两翼突击集团得手的同时，对被围德军实施分割。苏军一共投入了500多辆坦克，以及第15、2空军集团军的527架飞机。
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。
B集团军群的崩溃，导致德军战线上出现一个从利夫内到库皮扬斯克，宽达400公里的可怕缺口。苏军涌入这个缺口，向着库尔斯克和哈尔科夫猛冲;缺口北侧的德军中央集团军群，和南侧的顿河集团军群，事实上已经失去了联系，彼此的侧翼也处于严重威胁下。德国的东部战线被斩成了两段!
