Chiến dịch Blau
Diễn biến chiến sự trên hướng Volga-Đông > Quân đội Liên Xô phản công > Chiến sự tại trung lưu và thượng nguồn sông Đông > Trên hướng Voronezh - Kastornoye

Bài chi tiết: Chiến dịch Voronezh-Kastornoye và Chiến dịch Belgorod-Kharkov
Kết quả thắng lợi lớn của Chiến dịch Ostrogozhsk - Rossosh đã làm cho cụm quân Đức - Hungary đóng trong vùng Voronezh, Kastornoye bị hở một khoảng dài hơn 100 km tại sườn phía nam. Sườn phía bắc của cụm quân này cũng đang bị Tập đoàn quân 13 của Phương diện quân Briansk uy hiếp. Những điều kiện thuận lợi cho việc đánh bại các lực lượng Đức đóng đối diện với khu vực Voronezh, Kastornoye đã xuất hiện. Cũng như tại Chiến dịch Ostrogozhsk-Rossosh trước đó, tại khu vực thượng lưu và trung lưu sông Đông, quân đội Đức Quốc xã không còn các đơn vị dự bị cơ động để tăng viện cho các hướng bị uy hiếp. Quân số và phương tiện của các đơn vị còn lại của Cụm tập đoàn quân B cũng bị tiêu hao bởi các trận đánh nhỏ lẻ hàng ngày và chiến tranh du kích
Ngày 24 tháng 1 năm 1943, Phương diện quân Voronezh do Trung tướng F.I. Golikov chỉ huy gồm Tập đoàn quân xe tăng 3, các tập đoàn quân 40 và 60 và Tập đoàn quân 13 trên cánh trái của Phương diện quân Briansk do Trung tướng M.A. Reyter chỉ huy phối hợp chặt chẽ dưới sự điều hành thống nhất của Nguyên soái A.M. Vasilevsky đã phát động một cuộc tấn công vào khu vực Kursk và phát triển từ phía bắc và phía nam hướng đến Kastornoye. Ngày 25 tháng 1, Tập đoàn quân 60 của tướng I.D. Cherniakhovsky đã lấy lại phần phía tây thành phố Voronezh từ tay quân đội Đức Quốc xã. Bất chấp băng giá và bão tuyết hoành hành trong suốt thời gian diễn ra chiến dịch, quân đội Liên Xô vẫn tấn công mau lẹ. Ngày 28 tháng 1, trong một trận đánh quyết định, họ đã phá vỡ tuyến phòng thủ của quân Đức quanh Kastornoye và chiếm lại thành phố này vào buổi sáng ngày hôm sau. Khi các tuyến đường chính có thể sử dụng để rút lui của quân Đức đã bị quân đội Liên Xô cắt đứt thì có đến 10 sư đoàn quân Đức và 2 sư đoàn quân Hungary bị vây chặt ở phía đông nam thị trấn Kastornoye và mọi cố gắng của quân Đức để phá vây đều trở nên vô ích. Toàn bộ 125.000 quân bị vây, trong đó có đến 83% là quân Đức đã bị tiêu diệt hoặc bị bắt. Tiếp sau Chiến dịch Ostrogozhsk-Rossosh, chiến dịch Voronezh-Kastornoye đã tiêu diệt một nhóm quân lớn thứ hai của Cụm tập đoàn quân B (Đức) trong khu vực Voronezh-Kursk, đặt nhóm quân Đức còn lại đang đóng tại khu vực Kharkov-Belgorod với binh lực rất mỏng vào tình thế bị đe dọa bao vây và tiêu diệt.
Chiến dịch Belgorod-Kharkov có tên mã là "Chiến dịch Ngôi Sao" (tiếng Nga: Oпераций «Звезда») được phát động Phương diện quân Voronezh (Liên Xô) phát động ngày 2 tháng 2 năm 1943 như một sự tiếp nối với hai chiến dịch Ostrogozhsk-Rossosh và Voronezh-Kastornoye trước đó. Chiến dịch này đã diễn ra song song với "Chiến dịch Bước nhảy vọt" (Oпераций «Скачок»), một chiến dịch thất bại nặng nề do Phương diện quân Tây Nam (Liên Xô) thực hiện ở khu vực Nam Donets-Donbass. Bắt đầu tấn công từ ngày 2 tháng 2 tại khu vực Oboyan-Belgorod, đến ngày 16 tháng 2, Phương diện quân Voronezh mới chiếm được Kharkov một cách chật vật và không những không còn lực lượng để tiếp tục tấn công mà còn tiêu hao nốt những đội dự bị cuối cùng lẽ ra phải được bố trí để giữ vững thành phố vừa lấy lại được. Bị mê hoặc bởi giả thuyết "Quân Đức đang tháo chạy về tuyến sông Dniepr", không chỉ tướng F.I. Golikov, Tư lệnh Phương diện quân Voronezh mà cả tướng N.F. Vatutin, Tư lệnh Phương diện quân Tây Nam cũng đòi hỏi "Phải có những hành động kiên quyết". Bị thôi thúc bởi ý tưởng tái thực hiện lại ý đồ hợp vây quân Đức tại Kharkov trong Chiến dịch Barvenkovo-Lozovaya không thành công gần một năm trước đó, Tổng tư lệnh tối cao Stalin cuối cùng cũng xiêu lòng trước đề nghị của các tư lệnh Phương diện quân mà không tỏ ra một chút băn khoăn về tình trạng hao quân trầm trọng của các đơn vị này sau hơn một tháng chiến đấu liên tục trong bão tuyết, đồng thời đã phải di chuyển trên chiều sâu hơn 300 km và mở rộng thêm chính diện lên đến hơn 800 km. Kết quả là quân đội Liên Xô chỉ trụ lại được tại Kharkov 30 ngày và sau đó, phải rút quân về phía bắc Belgorod sau khi Phương diện quân Voronezh được tăng cường Tập đoàn quân 21 và Tập đoàn quân xe tăng 1.