苏军西南方面军和南方面军的任务，是歼灭德军顿河集团军群和解放顿巴斯。战役计划规定：西南方面军主力负责切断德军顿巴斯集团向西的退路，尔后会同在伏罗希洛夫格勒方向进攻的方面军左翼各集团军以及南方面军将顿巴斯集团歼灭；南方面军应首先完成粉碎德军罗斯托夫集团的任务，尔后沿亚速海北岸向西发展进攻，与西南方面军部队协同作战，消灭德军顿巴斯集团并解放顿巴斯东南部地区。
苏军统帅部规定，在苏德战场南翼实施大纵深作战的同时，在西方方向对德军中央集团军群也实施几次进攻战役。在西北方向清除德军杰米扬斯克突出部并扩大列宁格勒与内地相通的走廊。
在此期间，德军统帅部也在采取紧急措施在苏德战场南翼建立强大突击集团，力图改善德军在苏德战场南翼的态势，阻止苏军继续向西推进，并企图重新夺回战略主动权。
1943年1月，德军统帅部为加强苏德战场南方集团，从西线调来6个师和2个步兵旅，并把从高加索撤退下来的第1装甲集团军加强给顿河集团军群。此外，还决定通过缩短战线从杰米扬斯克和尔热夫两地域抽调部分兵力，组建新的预备队。2月上旬，仅从尔热夫—维亚兹马突出部就抽调了7个师。
苏军在南翼的进攻，未经间歇即在库尔斯克、哈尔科夫和顿巴斯等几个方向同时展开。
沃罗涅日方面军于2月2日至3日转入进攻，在2个方向作战。第40、第69集团军和近卫第5坦克军计划前出到哈尔科夫以北地域，并从西北迂回该城。第3坦克集团军和近卫第6骑兵军则实施机动，从南面绕过该城。右翼第60集团军与布良斯克方面军第13集团军协同动作，在库尔斯克-利哥夫方向进攻。
在获悉德军企图向库尔斯克地域调遣预备队后，苏军第60集团军决定加速解放该城，以2个突击集团从南、北两面迂回库尔斯克。2月8日晨，苏军收复库尔斯克，并继续向西面的利哥夫发展进攻。
沃罗涅日方面军主力第40、第69集团军和第3坦克集团军，在哈尔科夫方向的作战行动也很顺利。它们粉碎德军在奥斯科尔河地区的抵抗后，向哈尔科夫迅猛推进，但越接近城市，遭到的抵抗越激烈，德军将新锐预备队投入了交战。2月9日，苏军第40集团军主力解放了别尔哥罗德。10日，第40集团军所属各兵团已进抵广阔的战役地区，前出到距哈尔科夫城北55公里处。这对沃罗涅日方面军左翼部队行动非常有利。为免遭包围，德军哈尔科夫地域的部队开始从北顿涅茨河一线撤至哈尔科夫。2月15日，苏军从3个方向同时向哈尔科夫城突击，激烈巷战持续1个昼夜。苏军于16日中午肃清哈尔科夫的德军，收复哈尔科夫。
在向库尔斯克和哈尔科夫两个方向发展进攻的同时，苏军以西南方面军为主，进行了解放顿巴斯的战役。为完成任务，西南方面军专门成立了主要由第6集团军、近卫第1集团军和波波夫将军的快速集群组成的突击集团。
1月29日，西南方面军第6集团军率先向巴拉克列亚总方向发起进攻。翌日，方面军其他部队也先后投入战斗。
最初，西南方面军进攻发展十分迅速。第6集团军占领巴拉克列亚和伊久姆两城市后，至2月19日，已推进140至180公里，德南方集团军群总司令曼施泰因元帅（左一）同其他军官一起看作战地图进入克拉斯诺格勒郊区。近卫第1集团军在第6集团军左侧行动，于2月11日攻占洛佐瓦亚车站。快速集群的近卫第4军，进抵克腊斯诺阿尔美伊斯科耶地域。
2月9日，德军开始撤离北顿涅茨河下游和顿河地区。德军从北顿涅茨河下游撤到米乌河，并把装甲师和机械化师从罗斯托夫地域调到克腊斯诺阿尔美伊斯科耶、苏军西南方面军司令员获悉与其右翼对峙的德军各装甲部队正在转移的情报后，错误地认为德军顿巴斯集团很快将放弃顿巴斯，向第聂伯河对岸撤退，并将错误的判断报告苏军最高统帅部，同时通知沃罗涅日方面军司令员。沃罗涅日方面军司令员发现，德军党卫坦克军从哈尔科夫地域向克拉斯诺格勒方向撤退，也误认为德军将从沃罗涅日方面军地带内撤向波尔塔瓦。西南方面军司令请求大本营批准方面军“倾全力发起神速的进攻，以彻底粉碎北顿涅茨河与第聂伯河之间的敌人，并在春季的泥泞开始之前前出到第聂伯河”。苏军最高统帅部也犯了西南方面军和沃罗涅日方面军同样的错误，没有料到德军能发起进攻战役，不仅同意两位司令员关于发展下一步进攻的建议，甚至还扩大了2个方面军的计划。结果，西南方面军根据错误的判断，决定全线发展进攻，先敌赶到第聂伯河，并特别强调部队务必推进至第聂伯河弯曲部，攻占第聂伯罗彼得罗夫斯克和扎波罗日耶渡口，结果，方面军各部队不断向西方和西南方向边战斗，边前进，逐日扩大进攻正面宽度，在敌人反攻开始时，宽度已达400多公里。2月18日，西南方面军所属部队抵达第聂伯罗彼得罗夫斯克和扎波罗日耶附近。
当西南方面军开始遂行受领的任务时，参加顿巴斯战役的南方面军也开始追击退却之敌。苏军从冰面上渡过顿河，于2月14日解放罗斯托夫和诺沃切尔卡斯克。17日，南方面军追击德军，进抵米乌斯河。德军利用预先构筑的阵地迅速组织了强固防御。南方面军几次试图突破德军防御，均未成功。
2月上半月，沃罗涅日方面军、西南方面军和南方面军的部队在800多公里宽的地带内发起进攻，向前推进150至300公里，解放了库尔斯克、哈尔科夫、别尔哥罗德、罗斯托夫等城市，并使德军遭受较大损失。
正当苏军准备实现自己的企图时，德军统帅部已于2月中旬完成兵力集中和对苏军西南方面军和沃罗涅日方面军实施反攻的准备。德军统帅部取消了在1至2月的作战中遭到严重损失的B集团军群和顿河集团军群的建制，以其残部为基础，补充人员和武器，建立了新的南方集团军群，组建了拥有800多辆坦克的突击集团。在苏军西南方面军当面，德军在兵力上拥有1倍的优势，坦克拥有6倍的优势，航空兵拥有2倍的优势。
2月19日，德军重新组建的南方集团军群转入反攻。在第聂伯罗彼得罗夫斯克以东和东北同苏军展开了遭遇战，最后以苏军受挫而告终。德军向哈尔科夫西南地区变更部署后，于3月4日对沃罗涅日方面军暴露的翼侧实施突击。3月16日和18日，德军重新攻占哈尔科夫和别尔哥罗德。至3月底，德军将沃罗涅日方面军诸兵团击退到北顿涅茨地区。在这种形势下，苏军最高统帅部被迫全面修改计划，为击退德军反攻，从其他方向调来了2个集团军，从预备队抽调了3个诸兵种合成集团军和第1坦克集团军，派往哈尔科夫以东地域。从3月20日至25日，德军企图往北奥博扬方向发展进攻。德军数次试图北进，突破苏军别尔哥罗德防线，未获成功，不得不于3月22日开始转入防御。到3月25日，奥博扬方向的战线就在克腊斯诺波利耶、别尔哥罗德，再沿顿涅茨河岸直到楚古耶夫一线稳定下来。沃罗涅日方面军着手组织阵地防御，构成了所谓库尔斯克突出部的南部正面。
综上所述，苏军向第聂伯河实施深远突破后，在艰苦条件下抗击德军优势兵力的反突击，遭受了相当大的损失，但终于使战线沿北顿涅茨河以及在别尔哥罗德附近稳定下来，双方都没有达成预定目的。
对于苏德战场南翼德军反攻的结果，斯大林在1943年5月1日第195条命令中评价时指出：“德国人指望合围哈尔科夫地域的苏军，并为我军安排一个‘德国的斯大林格勒’。但是，希特勒德军指挥部想报斯大林格勒一役之仇的企图破产了。”德军未能夺回战略主动权，也未能转入其反攻的第三阶段并围歼苏军重兵集团于库尔斯克地域。
在西方战略方向，苏军的计划是：以布良斯克方面军以及西方面军左翼部队，沿向心方向对奥廖尔和布良斯克实施突击，击溃德军奥廖尔集团（德军第2装甲集团军）；尔后，等苏军中央方面军所属各集团军到达，即向斯摩棱斯克方向发展进攻，进至德军尔热夫—维亚兹马集团后方，并协同加里宁方面军和西方面军围歼德军中央集团军群的主力。1943年2月6日，苏军各有关方面军接到准备进攻的训令。
德军统帅部为掩护其中央集团军群的右翼，不仅计划固守奥廖尔突出部，而且计划从这里向南对库尔斯克实施突击，接应第4装甲集团军，扩大德军在哈尔科夫地域内发起的进攻的正面。为此，德军统帅部急忙由尔热夫—维亚兹马突出部和战场其他地段抽调兵力加强第2装甲集团军。到2月12日，该集团军已得到调来的7个师的加强，这些师大部在奥廖尔以南展开。
德军经过一年多的时间，在其正面大多数地段建立了组织完善、工事坚固的防御。苏军西方方向和西北方向所属各集团军，因长期采取进攻行动，战斗能力已有所下降。
西方方向各方面军投入战役时间先后不一，首先开始进攻的是布良斯克方面军。布良斯克方面军左翼部队进展缓慢，两周内仅向北和西北推进10~30公里。至2月24日日终，前出到诺沃西耳、马洛阿尔汉格尔斯克和布良策沃一线。
应从北面突击布良斯克的西方面军第16集团军，到2月22日才发起进攻。在突破德军第一防御地带并推进13公里后，遇到德军由尔热夫调来的2个装甲师有组织的抵抗，无法继续推进。西方面军和加里宁方面军主力直到3月初才转入进攻。这时，德军为腾出兵力投入奥廖尔地域，决定放弃尔热夫—维亚兹马突出部，实际上已开始从尔热夫—维亚兹马登陆场主动撤出自己的军队。
2月24日，苏军中央方面军基本集结完毕，并在库尔斯克以西和西北展开。因此，苏军最高统帅部将原先计划由布良斯克方面军担负的进攻布良斯克的任务转交给中央方面军实施。布良斯克方面军奉命直接歼灭德军奥廖尔集团（德第2装甲集团军左翼），解放奥廖尔。
展开在布良斯克方面军和奥罗涅日方面军接合部的中央方面军，从2月26日开始，以主力向布良斯克总方向，以骑兵、步兵集群向谢夫斯克和斯塔罗杜布总方向发起进攻。由于遇到兵力不断增强的德军有组织的抵抗，方面军主力进展缓慢。德军统帅部因苏军中央方面军骑兵、步兵集群前出到杰斯纳河而深感不安，急忙从预备队中抽调9个师的兵力进行阻击。骑兵、步兵集群在遭到德军南北夹击的情况下，被迫退至谢夫斯克地域，沿谢夫河设防固守。
从3月21日起，苏军中央方面军在姆岭斯克、诺沃西耳、布良策沃、谢夫斯克和雷耳斯克一线转入防御，构成了库尔斯克突出部的北部正面。
由于苏德战场南翼苏军情况已开始恶化、德军防御的巩固，以及德军从尔热夫—维亚兹马突出部迅速机动大量兵力进行反击，苏军在西方方向的进攻未能奏效。但这一方向的行动，却粉碎了德军从奥廖尔突击库尔斯克、接应德军第4装甲集团军和扩大进攻正面的企图。
在西北方向，苏军统帅部打算使用列宁格勒方面军、沃尔霍夫方面军和西北方面军的部队，击溃德军北方集团军群。
1942年，德军曾多次从南面向列宁格勒进攻，但始终未能进一步楔入，被迫转入防御。苏军也多次发起进攻，企图打破封锁，也未达到目的。苏联军民因长期遭受围困，直到1943年初生活条件和斗争条件仍十分艰难，“街道和广场不断遭到轰炸和炮击，人员时有伤亡，建筑物常受破坏。由于与内地的陆路交通断绝，工厂所需燃料和原料运输极为困难，军队和居民迫切需要的食品也得不到保证”。
苏军在南翼的大举进攻，牵制了德军的基本兵力和预备队，使德军统帅部无法加强其列宁格勒方向的军队集团。苏军统帅部决定利用这一有利形势，在列宁格勒附近实施进攻战役，以粉碎德军对列宁格勒的长期封锁。1942年12月初，苏军最高统帅部命令沃尔霍夫方面军和列宁格勒方面军准备实施突破列宁格勒封锁的战役。
1943年初，德军第18集团军共26个师从南面和东南面包围着列宁格勒，芬兰集团军以4个师以上的兵力，在卡累利阿地峡，从北面封锁列宁格勒。德军在什利谢利堡—锡尼亚维诺突出部，部署了密度很大的兵力（达5个师，各师的人员和技术装备充足），并在这一地区构筑了许多防御枢纽部和支撑点。
1943年1月12日晨，两个方面军同时发起进攻。苏军由于在突破地段集结了大量火炮和坦克，而且行动迅速，所以进攻第一天就在2个方向达成了突破。德军统帅部抽调预备队和其他方向的部队，力图恢复态势，但在苏军各集团军将第二梯队投入交战后，德军统帅部这一企图被粉碎。苏军冲破德军抵抗，继续向敌防御纵深发展进攻。1月14日日终，苏军两个方面军相隔已不到2公里。
1月18日，沃尔霍夫方面军与列宁格勒方面军在锡尼亚维诺以北地域会师，从而在拉多加湖以南形成了一条宽8至11公里的走廊。通过这条走廊，列宁格勒军民便可以从陆路直接与内地联系。至此，苏联军民终于突破了德军对列宁格勒的长期封锁。此后，苏军试图在锡尼亚维诺—姆加方向上继续进攻，但未获进展。
在战役进行过程中，苏军航空兵出动飞机9000余架次，积极配合两个方面军突击集团的进攻。红旗波罗的海舰队的舰炮提供了有效的火力支援，以火力破坏敌方防御工事，压制对方炮兵，共发射1.5万余发炮弹。
苏军突破德军对列宁格勒的封锁具有重要的意义。德军妄图占领伟大十月社会主义革命摇篮的计划彻底破产。从这时起，列宁格勒方向的作战主动权转到苏军手中。德军和芬兰军队在拉多加湖以东会合的威胁已经解除。突破封锁和恢复通向列宁格勒的铁路、公路交通以后，军民的粮食和武器弹药供应明显好转。列宁格勒的工业得到了开工生产所必需的原料和燃料。从2月起，市内发电量和工厂武器产量都明显增长。
此后，苏军西北方面军所属各部队，在不同的时间发起进攻。对德军杰米扬斯克集团的进攻由此开始。苏军主要突击集团此时尚未完成战役准备，2月下旬才发起进攻。这时，德军已用退下来的杰米扬斯克集团的部队加强了突出部的底部。