22 ноября 1942 года дивизия получила задачу содействовать наступлению ударной группы 24-й армии в направлении на Вертячий, с целью отрезать задонскую от сталинградской группы противника. Находясь на правом фланге армии, дивизия совершила глубокий прорыв фронта неприятеля, заняв ключевую высоту обороны противника (56,8 м). К 27 ноября, продвигаясь с тяжёлыми боями, вышла к Дону на рубеже балки Герасимова, Кислов. Вступив во взаимодействие с частями 65-й армии, 120-я дивизия освобождала населённые пункты: Верхне-Гниловский, Нижне-Гниловский, Кислый, Вертячий, уничтожив 1500 немецких солдат и офицеров, захватив 12 орудий, 7 танков, 26 автомобилей и др. технику и имущество. Дальнейшее наступление развития не получило, советские части начали перегруппировку в связи с подготовкой к новой операции «Кольцо». 13 декабря 1942 года, совершив марш-бросок, 120-я дивизия была сосредоточена в районе Среднего Царицыно и включена в состав 21-й армии, вскоре перешла в активное наступление. С тяжёлыми боями рассекала окружённую группировку 6-й немецкой армии, для облегчения её уничтожения. Так, с 11 по 23 января, прорвав оборону противника, дивизия овладела узлами сопротивления противника: Прудбой, Карповка, Лагерь им. Ворошилова, Новый Рогачик, Студёная-Яблоновка, Поляковка, высота 155,0, уничтожив 3000 и взяв в плен 1000 солдат и офицеров вермахта, захватив большие трофеи. В ходе операции Верховный Главнокомандующий дважды присылал поздравления на имя командира дивизии.