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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為蘇聯坦克的獵物。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絡。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，在更為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。
從頓河上游到羅斯托夫（3）
經過了斯大林格勒戰役的鍛鍊，蘇聯人建立合圍圈的能力和速度有了很大提高。在截斷敵軍後路的同時，紅軍第18獨立步兵軍和坦克第3集團軍坦克第12軍，又分別向卡爾片科沃實施相向突擊，將截斷的13個軸心國師進一步分割為北南兩部分：
西北面，5個師（3個匈牙利師，2個德國師）被包圍在奧斯特羅戈日斯克、阿列克謝耶夫卡、卡爾片科沃地域；南面，8個師（2個匈牙利師，3個德國師，3個義大利師）被包圍在羅索什以北和東北地域。
1月18…19日，紅軍迅速建立了包圍圈的對外正面：北面，第40集團軍右翼兵團在距離被圍德匈各師40…50公里處佔領了陣地；南面，則由索科洛夫將軍騎兵第7軍負責。其所屬第11騎兵師在坦克部隊協同下，在1月19日晨佔領了重要的鐵路樞紐瓦盧伊基，並俘獲了3000多德國和義大利軍人。由於蘇聯游擊隊事先破壞了這一線的鐵路路基，德國人儲備在瓦盧伊基的大量物資，包括一些大型糧倉都落入了紅軍手中。而負責保障沃羅涅日方面軍南翼的紅軍第6集團軍也向西推進到艾達爾河。
截斷、分割、對外鞏固，一氣呵成。蘇聯人這次鐵鉗攻勢，可是說相當漂亮且迅速利落。被合圍在2500平方公里狹小地區的13個軸心國師，從一開始就註定大勢已去。這些師國籍混雜，包括德第24裝甲軍，“克拉默”軍、義大利阿爾卑斯山軍，匈牙利第4軍主力，匈牙利第3、7軍一部分兵力，根本無法統一指揮。在狂風暴雪中，沒有預設防禦陣地，並被分割包圍的部隊也無力長久支撐，很快就開始大批放下武器。截至1月19日，就有52000名軸心國軍人淪為蘇沃羅涅日方面軍的俘虜。該方面軍同期繳獲了170輛坦克，1700門火炮，2800挺機槍，4000門迫擊炮，6000支衝鋒槍，55000支步槍，1500匹馬，60萬發炮彈和150座倉庫。
不願投降的軸心部隊只能從1月18日開始硬著頭皮向西突圍，其中很多人被蘇軍炮火和空襲殺死在雪原。上任不久的德第24裝甲軍新軍長艾布林中將也在1月21日身亡。1月22日，匈牙利第2集團軍指揮停止，殘餘部隊編入“克拉默”軍，由德國人指揮。1月25日，還在戰鬥的匈牙利軍隊只剩下12000人。最終，只有少量人員在1月31日從瓦盧伊基地域衝出包圍圈。而沒有跑出去的則大部淪為戰俘，其中僅1月24日一天就有9000人被蘇軍俘獲。1月27日，蘇軍基本肅清了包圍圈。
1943年1月12日到27日，沃羅涅日方面軍只用了短短15天，就奪取了22500平方公里土地和大量交通樞紐，擊潰了軸心國15個師，另外重創6個師。俘虜德國及其盟軍86000人，打死打傷了另外14萬人。除了殲滅的德國部隊較少外，蘇聯人在這次戰役中獲得的總戰果並不比尚未結束的斯大林格勒圍殲戰遜色多少
