1月24日，苏军第40集团军所属第4坦克军首先发起进攻，于次日日终前楔入敌防御纵深20至25公里，对沃罗涅日德军造成合围威胁。德军统帅部开始将军队撤向顿河对岸。25日，苏军第60集团军在追击敌人过程中解放了沃罗涅日。第38集团军和第13集团军也先后于25日和26日转入进攻，向卡斯托尔诺耶总方向实施突击。1月28日，苏军各部队突击集团会合于卡斯托诺耶地域，切断敌军集团西撤主要道路。与此同时，苏军第13、第40集团军一部顺利西进，构成合围对外正面。德军第2集团军基本兵力和匈牙利第3军(共约9个师)在卡斯托尔诺耶东南地域陷入合围。1月29日，沃罗涅日方面军开始歼灭被围敌军。任务最初由第38集团军以及第40集团军部分兵力实施。沃罗涅日方面军主力和布良斯克方面军左翼，则奉命开往提姆河和奥斯科耳河地区，以便向库尔斯克和哈尔科夫方向实施新的进攻。2月2日，布良斯克方面军和沃罗涅日方面军开到指定地区。至此，沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役实际上已经结束。
由于苏军对德军估计不足，用于歼灭被围集团的兵力不够，无法构成绵亘的合围对内正面，加之没有组织好参加歼灭被围之敌的部队之间的协同，肃清被围集团战斗一直拖延到2月17日。经多次激战，被围集团损失惨重，但部分兵力得以突围西逃。通过此役，苏军夺取了沃罗涅日突出部，解放了沃罗涅日州大部和库尔斯克州一部，粉碎了德军第2集团军主力和匈牙利第2集团军第3军，为向库尔斯克和哈尔科夫两个方向发展进攻创造了条件。
由于苏军在北高加索、顿河上游和列宁格勒等地的进攻战役取得胜利，苏军战略进攻的正面显着扩大。德军在苏德战场南翼的防线被摧毁达2000公里，即从利夫内直至大高加索山山麓。苏军在西方方向推进约300公里，在北高加索推进达700公里。苏军顿河方面军此时已粉碎斯大林格勒地域被围德军集团，可以腾出手来在新的方向发展总攻。1943年2月5日，顿河方面军改名为中央方面军，并将一部兵力调往库尔斯克地域。到1943年2月初，苏德战场上已经出现有利于苏军在宽大正面上展开进攻的条件，西南方向的情况则更为有利，德军在那里的防线已被摧毁。因此，苏军最高统帅部决定，于2月初在苏德战场的整个西南方向继续采取攻势，以便解放第聂伯河左岸乌克兰地区；同时计划在正西方向对德军中央集团军群和在西北方向对杰米扬斯克德军集团实施进攻，以便向北扩大苏军进攻正面。
在西南战略方向，苏军在库尔斯克、哈尔科夫、顿巴斯、罗斯托夫和克拉斯诺达尔等方向同时展开进攻。参加进攻的有布良斯克方面军左翼部队、沃罗涅日方面军、西南方面军、南方面军、北高加索方面军和黑海舰队。其中大多数兵团在过去1个月至2个半月期间连续实施进攻作战，人员和技术装备缺额很大。
苏军沃罗涅日方面军以及西南方面军右翼部分兵力的任务，是解放哈尔科夫工业区。沃罗涅日方面军左翼部队应从旧奥斯科耳、瓦卢伊基地域沿向心方向对哈尔科夫实施主要突击。正在库尔斯克方向作战的布良斯克方面军第17集团军和沃罗涅日方面军第60集团军，则分别向马汉阿尔汉格尔斯克和库尔斯克2个方向发展进攻，从北面保障沃罗涅日方面军主力对哈尔科夫方向的突击。沃罗涅日方面军在收复库尔斯克、别尔哥罗德和哈尔科夫以后，应进一步向西发展进攻。
苏军西南方面军和南方面军的任务，是歼灭德军顿河集团军群和解放顿巴斯。战役计划规定：西南方面军主力负责切断德军顿巴斯集团向西的退路，尔后会同在伏罗希洛夫格勒方向进攻的方面军左翼各集团军以及南方面军将顿巴斯集团歼灭；南方面军应首先完成粉碎德军罗斯托夫集团的任务，尔后沿亚速海北岸向西发展进攻，与西南方面军部队协同作战，消灭德军顿巴斯集团并解放顿巴斯东南部地区。
苏军统帅部规定，在苏德战场南翼实施大纵深作战的同时，在西方方向对德军中央集团军群也实施几次进攻战役。在西北方向清除德军杰米扬斯克突出部并扩大列宁格勒与内地相通的走廊。
在此期间，德军统帅部也在采取紧急措施在苏德战场南翼建立强大突击集团，力图改善德军在苏德战场南翼的态势，阻止苏军继续向西推进，并企图重新夺回战略主动权。
1943年1月，德军统帅部为加强苏德战场南方集团，从西线调来6个师和2个步兵旅，并把从高加索撤退下来的第1装甲集团军加强给顿河集团军群。此外，还决定通过缩短战线从杰米扬斯克和尔热夫两地域抽调部分兵力，组建新的预备队。2月上旬，仅从尔热夫-维亚兹马突出部就抽调了7个师。
苏军在南翼的进攻，未经间歇即在库尔斯克、哈尔科夫和顿巴斯等几个方向同时展开。
沃罗涅日方面军于2月2日至3日转入进攻，在2个方向作战。第40、第69集团军和近卫第5坦克军计划前出到哈尔科夫以北地域，并从西北迂回该城。第3坦克集团军和近卫第6骑兵军则实施机动，从南面绕过该城。右翼第60集团军与布良斯克方面军第13集团军协同动作，在库尔斯克-利哥夫方向进攻。
在获悉德军企图向库尔斯克地域调遣预备队后，苏军第60集团军决定加速解放该城，以2个突击集团从南、北两面迂回库尔斯克。2月8日晨，苏军收复库尔斯克，并继续向西面的利哥夫发展进攻。
沃罗涅日方面军主力第40、第69集团军和第3坦克集团军，在哈尔科夫方向的作战行动也很顺利。它们粉碎德军在奥斯科尔河地区的抵抗后，向哈尔科夫迅猛推进，但越接近城市，遭到的抵抗越激烈，德军将新锐预备队投入了交战。2月9日，苏军第40集团军主力解放了别尔哥罗德。10日，第40集团军所属各兵团已进抵广阔的战役地区，前出到距哈尔科夫城北55公里处。这对沃罗涅日方面军左翼部队行动非常有利。为免遭包围，德军哈尔科夫地域的部队开始从北顿涅茨河一线撤至哈尔科夫。2月15日，苏军从3个方向同时向哈尔科夫城突击，激烈巷战持续1个昼夜。苏军于16日中午肃清哈尔科夫的德军，收复哈尔科夫。
在向库尔斯克和哈尔科夫两个方向发展进攻的同时，苏军以西南方面军为主，进行了解放顿巴斯的战役。为完成任务，西南方面军专门成立了主要由第6集团军、近卫第1集团军和波波夫将军的快速集群组成的突击集团。
1月29日，西南方面军第6集团军率先向巴拉克列亚总方向发起进攻。翌日，方面军其他部队也先后投入战斗。
最初，西南方面军进攻发展十分迅速。第6集团军占领巴拉克列亚和伊久姆两城市后，至2月19日，已推进140至180公里，
进入克拉斯诺格勒郊区。近卫第1集团军在第6集团军左侧行动，于2月11日攻占洛佐瓦亚车站。快速集群的近卫第4军，进抵克腊斯诺阿尔美伊斯科耶地域。
2月9日，德军开始撤离北顿涅茨河下游和顿河地区。德军从北顿涅茨河下游撤到米乌河，并把装甲师和机械化师从罗斯托夫地域调到克腊斯诺阿尔美伊斯科耶、苏军西南方面军司令员获悉与其右翼对峙的德军各装甲部队正在转移的情报后，错误地认为德军顿巴斯集团很快将放弃顿巴斯，向第聂伯河对岸撤退，并将错误的判断报告苏军最高统帅部，同时通知沃罗涅日方面军司令员。沃罗涅日方面军司令员发现，德军党卫坦克军从哈尔科夫地域向克拉斯诺格勒方向撤退，也误认为德军将从沃罗涅日方面军地带内撤向波尔塔瓦。西南方面军司令请求大本营批准方面军“倾全力发起神速的进攻，以彻底粉碎北顿涅茨河与第聂伯河之间的敌人，并在春季的泥泞开始之前前出到第聂伯河”。苏军最高统帅部也犯了西南方面军和沃罗涅日方面军同样的错误，没有料到德军能发起进攻战役，不仅同意两位司令员关于发展下一步进攻的建议，甚至还扩大了2个方面军的计划。结果，西南方面军根据错误的判断，决定全线发展进攻，先敌赶到第聂伯河，并特别强调部队务必推进至第聂伯河弯曲部，攻占第聂伯罗彼得罗夫斯克和扎波罗日耶渡口，结果，方面军各部队不断向西方和西南方向边战斗，边前进，逐日扩大进攻正面宽度，在敌人反攻开始时，宽度已达400多公里。2月18日，西南方面军所属部队抵达第聂伯罗彼得罗夫斯克和扎波罗日耶附近。
当西南方面军开始遂行受领的任务时，参加顿巴斯战役的南方面军也开始追击退却之敌。苏军从冰面上渡过顿河，于2月14日解放罗斯托夫和诺沃切尔卡斯克。17日，南方面军追击德军，进抵米乌斯河。德军利用预先构筑的阵地迅速组织了强固防御。南方面军几次试图突破德军防御，均未成功。
2月上半月，沃罗涅日方面军、西南方面军和南方面军的部队在800多公里宽的地带内发起进攻，向前推进150至300公里，解放了库尔斯克、哈尔科夫、别尔哥罗德、罗斯托夫等城市，并使德军遭受较大损失。
正当苏军准备实现自己的企图时，德军统帅部已于2月中旬完成兵力集中和对苏军西南方面军和沃罗涅日方面军实施反攻的准备。德军统帅部取消了在1至2月的作战中遭到严重损失的B集团军群和顿河集团军群的建制，以其残部为基础，补充人员和武器，建立了新的南方集团军群，组建了拥有800多辆坦克的突击集团。在苏军西南方面军当面，德军在兵力上拥有1倍的优势，坦克拥有6倍的优势，航空兵拥有2倍的优势。
2月19日，德军重新组建的南方集团军群转入反攻。在第聂伯罗彼得罗夫斯克以东和东北同苏军展开了遭遇战，最后以苏军受挫而告终。德军向哈尔科夫西南地区变更部署后，于3月4日对沃罗涅日方面军暴露的翼侧实施突击。3月16日和18日，德军重新攻占哈尔科夫和别尔哥罗德。至3月底，德军将沃罗涅日方面军诸兵团击退到北顿涅茨地区。在这种形势下，苏军最高统帅部被迫全面修改计划，为击退德军反攻，从其他方向调来了2个集团军，从预备队抽调了3个诸兵种合成集团军和第1坦克集团军，派往哈尔科夫以东地域。从3月20日至25日，德军企图往北奥博扬方向发展进攻。德军数次试图北进，突破苏军别尔哥罗德防线，未获成功，不得不于3月22日开始转入防御。到3月25日，奥博扬方向的战线就在克腊斯诺波利耶、别尔哥罗德，再沿顿涅茨河岸直到楚古耶夫一线稳定下来。沃罗涅日方面军着手组织阵地防御，构成了所谓库尔斯克突出部的南部正面。
综上所述，苏军向第聂伯河实施深远突破后，在艰苦条件下抗击德军优势兵力的反突击，遭受了相当大的损失，但终于使战线沿北顿涅茨河以及在别尔哥罗德附近稳定下来，双方都没有达成预定目的。
对于苏德战场南翼德军反攻的结果，斯大林在1943年5月1日第195条命令中评价时指出：“德国人指望合围哈尔科夫地域的苏军，并为我军安排一个‘德国的斯大林格勒’。但是，希特勒德军指挥部想报斯大林格勒一役之仇的企图破产了。”德军未能夺回战略主动权，也未能转入其反攻的第三阶段并围歼苏军重兵集团于库尔斯克地域。
在西方战略方向，苏军的计划是：以布良斯克方面军以及西方面军左翼部队，沿向心方向对奥廖尔和布良斯克实施突击，击溃德军奥廖尔集团(德军第2装甲集团军)；尔后，等苏军中央方面军所属各集团军到达，即向斯摩棱斯克方向发展进攻，进至德军尔热夫-维亚兹马集团后方，并协同加里宁方面军和西方面军围歼德军中央集团军群的主力。1943年2月6日，苏军各有关方面军接到准备进攻的训令。
德军统帅部为掩护其中央集团军群的右翼，不仅计划固守奥廖尔突出部，而且计划从这里向南对库尔斯克实施突击，接应第4装甲集团军，扩大德军在哈尔科夫地域内发起的进攻的正面。为此，德军统帅部急忙由尔热夫-维亚兹马突出部和战场其他地段抽调兵力加强第2装甲集团军。到2月12日，该集团军已得到调来的7个师的加强，这些师大部在奥廖尔以南展开。
德军经过一年多的时间，在其正面大多数地段建立了组织完善、工事坚固的防御。苏军西方方向和西北方向所属各集团军，因长期采取进攻行动，战斗能力已有所下降。
西方方向各方面军投入战役时间先后不一，首先开始进攻的是布良斯克方面军。布良斯克方面军左翼部队进展缓慢，两周内仅向北和西北推进10~30公里。至2月24日日终，前出到诺沃西耳、马洛阿尔汉格尔斯克和布良策沃一线。
应从北面突击布良斯克的西方面军第16集团军，到2月22日才发起进攻。在突破德军第一防御地带并推进13公里后，遇到德军由尔热夫调来的2个装甲师有组织的抵抗，无法继续推进。西方面军和加里宁方面军主力直到3月初才转入进攻。这时，德军为腾出兵力投入奥廖尔地域，决定放弃尔热夫-维亚兹马突出部，实际上已开始从尔热夫-维亚兹马登陆场主动撤出自己的军队。