В течение второго дня наступления 12-й и 15-й танковые корпуса, пополненные боеприпасами и горючим, развернули преследование отходившего врага, и к исходу дня их главные силы продвинулись на 20–35 км. Отрыв танковых корпусов от стрелковых войск в течение дня составил 15–25 км. Фронт наступления 3-й танковой армии к исходу 15 января был расширен до 60 км. Глубина продвижения танковых корпусов увеличилась до 40–50 км. Были созданы благоприятные условия для окружения и уничтожения основных сил 8-й итальянской армии во взаимодействии с 40-й армией и 18-м стрелковым корпусом. Также 15 января был введен в прорыв для образования внешнего фронта окружения 7-й кавалерийский корпус С.В.Соколова.
Формирование нескольких «котлов» происходило в период с 16 по 18–19 января. Немецким командованием были приняты контрмеры — переброска из-под Воронежа 68-й и двух полков 57-й пехотной дивизии. Они вместе с остатками отброшенных наступлением 40-й армии войск составили группу «Зиберт», которая должна была контратаками задерживать наступление войск К.С.Москаленко.
На направлениях наступления северной и южной ударных группировок Воронежского фронта расцвели традиционные для операций на окружение «лилии». На юге центральный «лепесток» образовал 15-й танковый корпус, который вышел на дорогу Ольховатка — Алексеевка и 18 января завязал бой за Алексеевку, практически выполнив тем самым плановую задачу. «Лепесток» для формирования внутреннего фронта окружения образовывал 12-й танковый корпус и стрелковые соединения 3-й танковой армии. Танковый корпус 16 января ввязался в бой за город Россошь и без особого успеха вел его до подхода 48-й гвардейской и 180-й стрелковой дивизий. Освободившийся корпус двинулся от Россоши на север навстречу 18-му стрелковому корпусу в направлении на Карпенково. Левый лепесток «лилии» в лице 7-го кавалерийского корпуса к исходу 18 января вышел к станции Валуйки.
Схожие по задачам «лепестки лилии» образовывали стрелковые соединения 40-й армии. Правофланговые 141-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада отражали контратаки группы «Зиберт» в составе левофлангового «лепестка» на внешнем фронте окружения. Правофланговый «лепесток» в лице 107-й стрелковой дивизии наступал на Острогожск навстречу соединениям 18-го стрелкового корпуса. Командующий 40-й армией К.С.Москаленко решил прочно схватить синицу и во изменение первоначального плана операции повернул на то же направление 340-ю стрелковую дивизию, предназначавшуюся для удара навстречу 15-му танковому корпусу. На Острогожск были тем самым направлены избыточные силы, в то время как направление главного удара было ослаблено. Из-за поворота 340-й стрелковой дивизии на Острогожск центральный «лепесток» был самый слабый, его образовывала в одиночку 305-я стрелковая дивизия. Она весь день 18 января вела бой за Иловское. К исходу дня у противника еще оставался 8-километровый коридор между Иловским и Алексеевкой, который простреливался только артиллерийским огнем. 18-й стрелковый корпус наступал навстречу северной и южной группировкам в форме буквы «V». Преодолев сопротивление резервов противника на второй полосе его обороны, он главными силами 18 января вел бои в 8 км северо-восточнее Карпенково. Этот удар повторно замкнул асимметричные «клещи» и образовал внутренний фронт окружения 8-го итальянского альпийского корпуса и немецкой 385-й пехотной дивизии.
Параллельно окружению и рассечению группировки противника на несколько «котлов» войска Воронежского фронта создавали и внешний фронт окружения. На севере и северо-западе эту задачу выполняли правофланговые соединения 40-й армии, которые продолжали наступать на запад в течение 16–18 января. К исходу 18 января они достигли рубежа Костенки, Караешник и создали на этом рубеже внешний фронт окружения. На юго-западе внешний фронт окружения был образован силами 7-го кавалерийского корпуса. Наступая в общем направлении на Ровеньки, Валуйки со средним темпом 30 км в сутки при сильных снежных заносах, корпус С.В.Соколова на шестой день операции овладел важным железнодорожным узлом Валуйки и закрепился на участке Волоконовка, Уразово. Действуя на внешнем фронте окружения на удалении 75 км от его внутреннего фронта, корпус надежно обеспечил последующие действия войск фронта по окончательной ликвидации окруженных войск 8-й итальянской армии.
Образованный наступлением Воронежского фронта внутренний фронт окружения протяженностью свыше 300 км не был сплошным. Советские войска, окружавшие группировку противника, занимали только важнейшие узлы дорог и населенные пункты, находившиеся на наиболее вероятных путях отхода врага. Со стороны наших войск на внутреннем фронте окружения действовало в общей сложности одиннадцать стрелковых дивизий, две стрелковые бригады и два танковых корпуса. На внешнем фронте к моменту завершения окружения наши войска имели около пяти дивизий на широком фронте. Окруженные войска противника были раздроблены на три группы. Первая в составе 19-й и 23-й венгерских пехотных дивизий, трех дивизий итальянского горного корпуса, различные части XXIV корпуса и 385-я немецкая пехотная дивизия была блокирована в районе Россоши и практически не имела шансов на спасение. 10-я и 13-я венгерские дивизии и части 168-й пехотной дивизии были блокированы в Острогожске. Основные силы 168-й и 26-й пехотных дивизий, 1-й венгерской танковой дивизии пытались пробиться на запад в коридоре между Иловской и Алексеевкой. К моменту завершения окружения нашими войсками уже было пленено около 52 тыс. человек.
В период с 19 по 27 января производилась окончательная ликвидация расчлененной на части острогожско-россошанской группировки немецких, итальянских и венгерских войск. Бои по уничтожению войск противника в Острогожске и в районе северо-восточнее Алексеевки продолжались с 19 по 24 января. В этих боях принимали участие войска всех трех ударных группировок фронта.
Быстрее всего были уничтожены венгерские и отдельные части немецких войск в Острогожске. Город был в течение 19 и 20 января силами 107, 340, 309-й стрелковых дивизий и 129-й стрелковой бригады взят штурмом. Большая часть гарнизона была пленена или уничтожена в ходе боев за город, лишь незначительной части удалось пробиться в район Алексеевки. Высвободившиеся в результате ликвидации острогожской группировки противника войска 40-й армии были направлены на ликвидацию «котла» в районе северо-восточнее Алексеевки. В этих боях приняли участие 305, 340, 309-я стрелковые дивизии и части 15-го танкового корпуса. Противник в этом районе располагал значительными запасами продовольствия и боеприпасов, т. к. в лесу северо-восточнее Алексеевки были армейские склады 2-й венгерской армии. В течение 19–24 января эта группировка также была ликвидирована. В плен сдались около 9 тыс. человек, примерно столько же было уничтожено в ходе боев и около 12 тыс. человек смогли пробиться по коридору на запад.
Дольше всего просуществовал «котел» площадью около 150 кв. км в районе Россоши. В его ликвидации принимали участие 219, 270, 180-я и 160-я стрелковые дивизии, 113-я и 195-я танковые бригады. Пытавшиеся прорваться на запад части попадали под удар перегруппировывавшихся к реке Оскол соединений 3-й танковой армии, а самые удачливые были встречены у Валуек частями 7-го кавалерийского корпуса. Жирную точку в операции поставила 27 января капитуляция остатков 3, 4 и 156-й итальянских дивизий вместе с их штабами.