По реке Россошке проходила вторая полоса обороны противника. Ее прорыв был возложен на 21-ю армию, в полосу которой Донской фронт перенес свои основные усилия. Возобновив 15 января наступление, войска фронта к 17 января достигли района Воропоново, Большая Россошка, где вновь встретили ожесточенное сопротивление противника. К исходу 17 января 64, 57, 21, 65-я и 24-я армии вышли на ближние подступы к Сталинграду по линии Большая Россошка, хутор Гончара, Воропоново. Протяженность линии фронта по кольцу окружения составляла 110 км, а глубина его района сократилась с запада на восток на 33 км и составляла 20 км (до пос. Красный Октябрь). С севера на юг она равнялась 30 км. Общая площадь района окружения уменьшилась на 800 кв. км и составляла около 600 кв. км. Войска противника, отступавшие на восток, заняли внутренний оборонительный обвод, продолжая оказывать упорное сопротивление.
Операция 'Кольцо' успешно завершалась. Маршал артиллерии Н. Н. Воронов, и генерал-полковник К. К. Рокоссовский решили закончить ликвидацию окруженного врага общим штурмом на всем фронте. Главный удар наносила 21-я армия на Гумрак, пос. Красный Октябрь, рассекая группировку противника на две части. Войска правового фланга, 65-й армии, взаимодействуя с 21-й армией, наносили удар в направлении Александровка, северная окраина пос. Красный Октябрь, 24-я армия также наступала с запада. В северо-восточной части района окружения, как и раньше, должны были наступать 62-я и 66-я армии. План завершающего удара одобрила Ставка.
18 и 19 января производилась перегруппировка войск. Однако и в эти дни на левом фланге 21-й армии, а также в полосе наступления 65-й и 24-й армий продолжались напряженные бои.
22 января войска Донского фронта возобновили наступление по всему фронту. Главную роль при взломе обороны врага играли артиллерия и пехота. Об огневой насыщенности ударов можно судить по тому, что в 22-километровой полосе наступления 64, 57-й и 21-й армий было сосредоточено 4100 орудий и минометов.
В упорных боях 22--25 января сопротивление немецко-фашистских войск на этом рубеже было сломлено.
За четыре дня боев наступающие войска продвинулись на 10-15 км. Левофланговые соединения 21-й армии овладели важным опорным пунктом противника - Гумрак, перерезав здесь железную дорогу. Войска 65-й армии 25 января заняли опорные пункты Александровка, Городище. 64-я и 57-я армии, наступавшие с юга от Сталинграда, прорвали оборону гитлеровцев на внутреннем обводе и, разгромив гарнизоны врага в Купоросном, Ельшанке, Песчанке, на ст. Воропоново, в с. Алексеевка, на ст. Садовой, продвигались на восток и северо-восток.
Вечером 26 января войска 21-й армии соединились в районе поселка Красный Октябрь, Мамаев курган с 62-й армией. Первыми встретились близ Мамаева кургана 52-я гвардейская стрелковая дивизия 21-й армии и 284-я стрелковая дивизия 62-й армии. Вражеская группировка была рассечена на две части. Однако, несмотря на безнадежность положения, противник упорно сопротивлялся. Но его конец неумолимо приближался.
30 января войска 64 и 57-й армий, расчленив южную группировку противника, вплотную подошли к центру города. Весь день шли здесь упорные бои. Войска левого фланга 64-й армии - 29-я стрелковая дивизия, 38-я мотострелковая бригада и 36-я гвардейская стрелковая дивизия - вели бои за центральную часть города, 7-й стрелковый корпус и 204-я стрелковая дивизия армии М. С. Шумилова уничтожали врага к северу от устья р. Царицы, вдоль берега Волги. Войска 21-й армии наступали с северо-запада.
Под мощными ударами советских войск он терял одну позицию за другой. Вскоре фронт борьбы в городе, куда были загнаны остатки немецких войск, распался на несколько изолированных друг от друга очагов. Началась массовая сдача вражеских войск в плен. Утром 31 января прекратила сопротивление южная группа войск 6-й армии во главе с генерал-фельдмаршалом Ф. Паулюсом.
2 февраля северная группа войск противника в заводском районе города капитулировала. Свыше 40 тыс. немецких солдат и офицеров под командованием генерала Штреккера сложили оружие. Боевые действия на берегу Волги прекратились.
В ходе ликвидации окруженной группировки с 10 января по 2 февраля 1943 г. войска Донского фронта под командованием генерала К. К. Рокоссовского разгромили 22 дивизии противника, а также свыше 160 различных частей усиления 6-й немецкой армии и частей обслуживания. 91 тыс. гитлеровцев, в том числе свыше 2500 офицеров и 24 генерала, были взяты в плен. В этих боях окруженный противник потерял около 140 тыс. солдат и офицеров.
В донесении Верховному Главнокомандующему И. В. Сталину представитель Ставки маршал артиллерии Н. Н. Воронов и командующий войсками Донского фронта генерал-полковник К. К. Рокоссовский сообщили: Выполняя Ваш приказ, войска Донского фронта в 16.00 2.11.43г. закончили разгром и уничтожение Сталинградской группировки противника.