После завершения Козельской операции 3-я танковая армия была выведена в резерв Ставки Верховного Главнокомандования и находилась там до января 1943 года. Перед началом Острогожско-Россошанской операции армия была передана Воронежскому фронту и сосредоточилась в районе посёлка Кантемировка. Операция началась 13 января 1943 года. 14 января 1943 года подразделения 106-й танковой бригады атаковали позиции немцев в районе совхоза «Красный Молот». При прорыве вражеской обороны танк лейтенанта Фоломеева уничтожил 3 ДЗОТа и 3 противотанковых орудия. Вечером того же дня Т-34 лейтенанта Фоломеева ворвался в село Михайловка (Кантемировский район Воронежской области) и, протаранив вражеский танк, захватил мост через реку Белая, после чего в течение шести часов держал оборону, уничтожив в ходе боя 3 противотанковых орудия, 10 пулеметов, 4 автомашины и до 40 солдат и офицеров противника. В Михайловке танкисты разгромили штабной автобус 156-й итальянской альпийской дивизии, захватив в плен 22 итальянских солдата и офицера, знамёна подразделения и важные документы, часть из которых впоследствии была использована на Нюрнбергском процессе. 17 января 1943 года в бою за село Татарино (Каменский район Воронежской области) экипаж Фоломеева уничтожил 4 немецких танка, 4 мотоцикла и 2 полевые кухни. Танк Дмитрия Сергеевича был подбит, но экипаж в течение 20 часов продолжал вести бой из повреждённого танка до подхода основных сил, уничтожив 4 противотанковых орудия, 15 автомашин, 8 пулеметов и до 100 солдат и офицеров вермахта.