Сильное сопротивление оказала группировка немецких войск, окруженная в Острогожске. Чтобы ускорить ее ликвидацию, по решению командования 40-й армии к городу была подтянута 10-я артиллерийская дивизия. Пушечные и гаубичные полки дивизии открыли сосредоточенный огонь по важнейшим опорным пунктам в городе, а легкие полки поддерживали наступление пехоты, перемещаясь в ее боевых порядках. Действия артиллерии в значительной степени способствовали взятию Острогожска нашими войсками.
Так как сплошной фронт окружения противника отсутствовал, его отдельным группам удавалось все же отходить на запад. Но они перехватывались небольшими отрядами наших войск, усиленными артиллерией, и уничтожались.
К 27 января войска фронта в основном закончили ликвидацию окруженного противника.
Из опыта первых наступательных операций С.С. Варенцов отчетливо уяснил требования, предъявляемые к организации боевого применения артиллерии: детальная разведка обороны противника; решительное массирование артиллерии и создание высокой плотности ее на участках прорыва; четкое планирование действий артиллерии на всю глубину наступления; создание устойчивой и легко-управляемой группировки артиллерии, обеспечивающей непрерывное взаимодействие ее с пехотой и танками; смелый и быстрый маневр артиллерии и широкое применение массированного огня на всех этапах наступления.
Этим требованиям С.С. Варенцов следовал неукоснительно до конца войны и стал одним из ярких артиллеристов-военачальников.
Разгром острогожско-россошанской группировки противника создал благоприятную обстановку для нанесения ударов по флангам и тылу 2-й немецкой армии, оборонявшейся в районе Воронежа. Чтобы не дать противнику возможности отвести 2-ю армию го образовавшегося мешка, Ставка ВГК еще в ходе завершения Острогожско-Россошанской операции, без всякой оперативной паузы, развернула новую Воронежско-Касторненскую операцию. 20 января Ставка приказала войскам Брянского и Воронежского фронтов провести совместную наступательную операцию с целью освобождения важных узлов дорог Воронежа и Касторное, создания условий для наступления Красной армии на Курском и Харьковском направлениях. Для этого они должны были ударами с севера и юга — по сходящимся направлениям на дальних флангах дуги — окружить и уничтожить находящиеся внутри ее главные силы 2-й немецкой армии.
Начало наступления было намечено на 24–26 января. В соответствии с замыслом Ставки командующий Воронежским фронтом генерал-полковник Ф.И. Голиков решил осуществить прорыв на трех участках.
