Для наращивания удара Черняховский решил ввести в бой на своем левом фланге 303-ю стрелковую дивизию полковника Федоровского, а во втором эшелоне армии сосредоточить 100-ю стрелковую дивизию генерала Перхоровича. Был подтвержден приказ о переходе в наступление сводной бригады курсантов и 104-й стрелковой бригады полковника Гаранина.
На этот раз наступление началось без артиллерийской подготовки, за полтора часа до рассвета.
И третий день продолжались упорные бои за опорные пункты переднего края и ближайшей тактической глубины. Только к 17.30 сопротивление противника в главной полосе было сломлено, войска левого фланга армии овладели Кочетовкой, Семидесятское и другими опорными пунктами и, продвинувшись к северу на 8–10 километров, вышли на рубеж южных окраин Никольское, Хрущово.
На правом фланге курсантская бригада к рассвету форсировала Дон по льду и завязала бои на его западном берегу. В центре 104-я стрелковая бригада своим левым флангом овладела Гремячьим.
28 января танковые соединения 40-й и 38-й армий и подвижная группа 13-й армии Брянского фронта ворвались в Касторное и после упорного боя к утру следующего дня овладели городом и узлом железных дорог. Между Касторным и Воронежем оказалось в окружении около десяти вражеских дивизий.
Войска 60-й армии в этот день продолжали наступление по всему фронту, сдавливая с юга и востока кольцо вокруг противника, и захватили в плен свыше 5 тысяч солдат и офицеров.
И опять приятное сообщение Информбюро:
«28 января 1943 года. Ударные группировки войск Брянского и Воронежского фронтов в ходе Воронежско-Касторненской наступательной операции соединились в районе Касторное, перерезав пути отхода 2-й немецкой армии из района Воронежа на запад. Одновременно другая группировка Воронежского фронта подходила к железной дороге Воронеж — Касторное в районе Курбатово. 10 дивизий противника оказались в окружении юго-восточнее Касторное.
29 января 1943 года войска Воронежского фронта приступили к уничтожению окруженных войск противника в районе юго-восточнее Касторное».
За пять дней наступления армия Черняховского уничтожила свыше 8 тыс. солдат и офицеров противника и 6859 взяла в плен. Были захвачены большие трофеи боевой техники и военного имущества.
Это была первая большая победа и молодой армии, и молодого командующего. За освобождение Воронежа Иван Данилович был награжден третьим орденом Красного Знамени.
Черняховский и член Военного совета Запорожец побывали в освобожденном Воронеже. Не город, а руины — запорошенные снегом развалины и пустыри — предстали перед ними. На прежнем величавом проспекте Революции торчали обгорелые коробки Дома Красной Армии, Дома книги, Областного театра. И ни одного деревца. А на площади, где до войны стояло с черной мраморной колоннадой здание обкома партии, высились три одинокие колонны — все, что осталось от этого великолепного сооружения, которым так гордились воронежцы.