На рассвете 20 октября, взаимодействуя с 12-й и 16-й стрелковыми дивизиями 8-й армии, корпус Буденного перешел в контрнаступление. Поскольку основные силы врага были сосредоточены у Воронежа с восточной стороны, комкор решил наступать с севера.
В результате ожесточенных боев белоказаки были разгромлены, а оставшиеся части поспешно отступили из Воронежа.
Буденный тут же послал донесение командованию Южного фронта: «После ожесточенного боя доблестными частями конкорпуса в 6 часов 24 октября занят город Воронеж. Противник отброшен за реку Дон. Преследование продолжается. Подробности дополнительно».
Обстановка на Дону начала резко меняться в пользу советских войск: конный корпус выходил на правый фланг главной ударной группировки деникинской армии, рвавшейся к Москве. Победа под Воронежем вошла яркой страницей в боевую летопись Красной Армии. Михаил Шолохов в романе «Тихий Дон» написал об этом так: «Вскоре обстановка на Южном фронте резко изменилась. Поражение Добровольческой армии в генеральном сражении на Орловско-Кромском направлении и блестящие действия буденновской конницы на воронежском участке решили исход борьбы; в ноябре Добровольческая армия покатилась на юг, обнажая левый фланг Донской армии, увлекая ее в своем отступлении».
Вечером 25 октября по прямому проводу командующий Южным фронтом Егоров и член Реввоенсовета Сталин объявили благодарность бойцам, командирам и комиссарам корпуса. Через несколько дней Буденный получил приказ войскам 10-й армии № 148 от 31 октября, в котором, в частности, указывалось: «Созданные долгими усилиями англо-французских капиталистов и Деникина конные корпуса генералов Шкуро и Мамонтова, как единственный оплот контрреволюции, разбиты наголову в боях под Воронежем красным конкорпусом тов. Буденного. Воронеж взят красными героями. Масса трофеев, подсчет производится. Пока выяснено, что захвачены все именные бронепоезда противника во главе с бронепоездом имени генерала Шкуро. Преследование разбитого противника продолжается, ореол непобедимости, созданный вокруг имени генералов Мамонтова и Шкуро, доблестью красных героев конкорпуса Буденного низвержен в прах. От лица армий Южфронта объявляю братскую благодарность доблестному корпусу Буденного. Приказываю: захваченный бронепоезд имени генерала Шкуро переименовать в бронепоезд имени народного героя Буденного. Командюж Егоров. Член Реввоенсовета Южфронта Сталин».
— Вот здорово, а? — улыбнулся комиссар корпуса. — А что ты такой задумчивый, Семен Михайлович?
