Быстро замкнуть кольцо окружения можно было только подвижными соединениями. В течение 26 января 4-му танковому корпусу горючее доставлялось в район Горшечного самолетами У-2. Бипланы У-2 в Красной Армии были таким же незаменимым самолетом, как и Ю-52 в вермахте. Благодаря этому с утра 27 января корпус А.Г.Кравченко перешел в наступление из района Горшечного в направлении на Касторное. К исходу дня передовой отряд корпуса (танковая бригада с десантом автоматчиков) вышел на южные подступы к Касторному. Одновременно корпусом были перехвачены пути отхода противника на юго-запад. Пытавшиеся пробиться в этом направлении группы и колонны были встречены огнем танков и вынуждены были искать другие пути для бегства из образующегося «котла». Следовавшая по пятам 4-го танкового корпуса 25-я гвардейская стрелковая дивизия 27 января вышла в Горшечное и заняла перекрестки дорог в этом районе.
Тем временем с севера кольцо окружения постепенно смыкал Брянский фронт. К исходу 27 января 13-я армия преодолела оборону противника на глубину до 20 км, расширив прорыв до 25 км. Следует отметить активное участие в боевых действиях авиации Брянского фронта, выполнившей 457 самолето-вылетов. 28 января к Касторному вышли с севера 118-я танковая бригада 13-й армии, с востока — 180-я танковая бригада 38-й армии, а к южной окраине города подошли части 4-го танкового корпуса. Совместными усилиями войск двух фронтов к утру 29 января была захвачена большая часть города. Трофеями советских войск в Касторном стало большое количество автомашин с различным имуществом.
С захватом Касторного и выходом стрелковых соединений 40-й армии в район Горшечного основные пути отхода воронежско-касторненской группировки противника. Однако к этому моменту фронт окружения еще не был сплошным. Между 4-м танковым корпусом и 25-й гвардейской стрелковой дивизией был 25-километровый разрыв, сама 25-я дивизия занимала фронт 50 км и отстояла от своего соседа на 15–18 км.
Важным действующим фактором, во многом определившим судьбу окруженных соединений VII армейского корпуса немцев, было принятие советским командованием решения на проведение наступательной операции на харьковском и курском направлениях. Здесь на 330-километровом фронте от Никольского (на р. Кшень) до Купянска действовало не более пяти дивизий противника. В этих условиях было принято решение развивать наступление на Курск и Харьков, пока немецкое командование не стянуло на это направление достаточные силы для формирования устойчивого фронта. Ф.И.Голиковым был представлен в Ставку ВГК план операции, получившей впоследствии кодовое наименование «Звезда». Согласно этому плану предполагалось развернуть на реке Оскол на фронте от Старого Оскола до Уразово все силы фронта (кроме 38-й армии) и нанести три удара по сходящимся направлениям на Харьков. Начало наступления войск Воронежского фронта в харьковской операции было назначено на 1–2 февраля. До 31 января включительно все силы правого крыла фронта (войска 38, 60-й и 40-й армий) должны были быть задействованы в уничтожении противника южнее Касторного и к 1 февраля полностью высвободиться для наступления на новом направлении.
Соответственно задача окончательного уничтожения окруженных соединений воронежско-касторненской группировки противника возлагалась на 38-ю армию. К тому моменту в состав армии входили 240, 167, 206, 237, 23-я стрелковые дивизии и 253-я стрелковая бригада (последние две были переданы из 60-й армии). После уничтожения окруженного противника 38-я армия должна была присоединиться к наступлению на Харьков.
В сущности, задача уничтожения окруженных соединений VII и XIII армейских корпусов 2-й армии и остатков венгерской 2-й армии потеряла свой приоритет. Обрушенный двумя последовательно проведенными операциями фронт группы армий «Б» южнее Воронежа открывал перспективы наступления на запад и выхода в тыл группы армий «Центр», к Днепру и перехвата путей отхода войск групп армий «Дон» и «А». На этом фоне несколько пехотных дивизий перестали быть объектом пристального внимания. Именно этим объясняется странное на первый взгляд распределение сил между внешним и внутренним фронтами окружения. В Острогожско-Россошанской операции меньшая часть войск была на внешнем фронте окружения, в Воронежско-Касторненской — наоборот. Это не замедлило сказаться на результатах боевых действий войск Воронежского и Брянского фронтов. Уже 29 января части 25-й гвардейской стрелковой дивизии были выбиты из Горшечного. Прорыв из окружения сквозь метель начался.
Пробивавшиеся из окружения немецкие части разделились на три группы. Первая включала части 57, 68-й и 323-й пехотных дивизий под руководством генерала Фридриха Зиберта (командира 57-й дивизии). Численность этой группы составляла около 6–8 тыс. человек. Вторая группа состояла из остатков 75, 340, 377-й немецких, 6-й и 9-й венгерских дивизий и насчитывала 8– 10 тыс. человек. Она возглавлялась генералом Гельмутом Бёкеманом, командиром 75-й пехотной дивизии. Наконец, третья группа, так называемая группа Гольвитцера, включала остатки 88-й и 26-й пехотных дивизий и управление VII армейского корпуса. Фридрих Гольвитцер был командиром 88-й пехотной дивизии. Группы Зиберта и Бёкемана пробивались из района Горшечного строго на запад, а группа Гольвитцера — на юго-запад через Старый Оскол. На путях отхода немецких войск к тому моменту остались только два полка 25-й гвардейской стрелковой дивизии и 102-я танковая бригада 4-го танкового корпуса.
На завершающей фазе Воронежско-Касторненской операции войскам 38-й и 60-й армий Воронежского фронта требовалось выполнить довольно замысловатый маневр. 38-я армия Н.Е.Чибисова должна была с восточного и северного фронтов окружения выдвинуться на западную границу «котла» и перехватить пути отхода противника. Две стрелковые дивизии армии — 240-я и 167-я должны были образовать внешний фронт окружения в районе города Тим. В сущности, армия Н.Е.Чибисова должна была обогнать отступающие налегке, без тяжелого вооружения немецкие части и занять оборону на пути их отхода. В свою очередь, 60-я армия И.Д.Черняховского, пересекая маршруты движения соединений 38-й армии, смыкала фланг с 13-й армией Брянского фронта с целью наступления на Курск.
В течение первых дней февраля развернулось сражение между войсками 38-й армии, частью сил 40-й армии и группами Зиберта, Гольвитцера и Бёкемана. По заснеженным дорогам в метель и жестокий мороз шагали группы пехотинцев. Одни были побежденными, стремившимися во что бы то ни стало вырваться из ада окружения. Вторые были победителями, спешившими закрыть покрепче западню и развивать наступление дальше на запад. Три группы немецких окруженцев двигались веером, стремясь нащупать «окно» в строящемся на их пути заслоне из стрелковых дивизий. С востока они прикрывались арьергардами. «Котел» окружения постепенно смещался на запад. Уже 5 февраля 129-я стрелковая бригада вновь овладела Горшечным, выбив из него арьергард группы Зиберта.
Тем временем перераспределение основных сил на внешний фронт окружения позволяло 40-й и 60-й армиям быстрыми темпами наступать на запад. К исходу 8 февраля войска 60-й армии, продвинувшись с рубежа реки Тим на 80 км, овладели крупным узлом обороны противника и крупным железнодорожным узлом — городом Курском. Войска 40-й армии, продвинувшись на 90 км, завязали бои за Белгород и к 9 февраля полностью очистили его от противника.
К 10 февраля снежный буран прекратился. Пробивающиеся из окружения остатки немецких и венгерских дивизий нащупали направление отхода на запад. Войска 38-й армии перекатывались через «котел» с севера, перекрывая выход на северо-запад и запад. Пробиться удалось только группе Гольвитцера на юго-запад, сбив относительно слабые заслоны на стыке 38-й и 40-й армий. В пробитое «окно» стали втягиваться одна за другой все три группы окруженных. Впереди двигалась группа Гольвитцера, за ней группа Зиберта, и, наконец, замыкала шествие группа Бёкемана. Транспортная авиация противника сбрасывала на дорогу отходившим немецким войскам боеприпасы и продовольствие. Воспрепятствовать этому авиация Воронежского фронта не могла, т. к. занималась преимущественно поддержкой наступления на воронежском и курском направлениях. Ударом с севера 12 февраля силами 240-й стрелковой дивизии удалось отрезать и почти полностью уничтожить только группу Бёкемана. Группы Гольвитцера и Зиберта пробились из окружения в район Обояни и в течение последующих дней приводили себя в порядок, пополнив гарнизон города.
Преследуя пробившиеся из окружения остатки немецких войск, 38-я армия к 16 февраля вышла к Обояни и охватила город с трех сторон. В ночь на 18 февраля под угрозой окружения гарнизон Обояни покинул город, взорвав мост через Псел. Войска 38-й армии продолжили продвижение на восток, занимая районы, которые вскоре получат название Курской дуги.
