Передать этот «ударный кулак» командующему 13-й армии генералу А. М. Городнянскому опасались. Ему в тот период приходилось отбиваться от противника, и ударная группировка могла быть вынуждено «раздергана» дня укрепления обороны. Решили оставить сосредотачиваемые соединения в непосредственном распоряжении Юго-Западного фронта, возложив руководство ими на замкомандующего ЮЗФ генерал-лейтенанта Ф. Я. Костенко (на время проведения Елецкой наступательной операции Костенко также руководил боевыми действиями 3-й и 13-й армий. —
6 декабря на направлении вспомогательного удара начала действовать 13-я армия генерал-майора А. М. Городнянского. В первый день ее войска не имели сколько-нибудь значительного территориального успеха, но зато они отвлекли внимание противника от направления главного удара фронта, вынудив германское командование снять отсюда часть сил для противодействия соединениям 13-й армии. Это дало возможность ударной группе фронта, возглавляемой генерал-лейтенантом Ф. Я. Костенко, нанести утром 7 декабря внезапный удар по ослабленной немецкой группировке.
В тот же день 13-я армия завязала бои непосредственно за город Елец. Враг оказывал упорное сопротивление, но в ночь на 9 декабря под угрозой окружения его части стали выходить из города. Елец был освобожден. На другой день войска армии наступали уже во всей полосе. Попытки немцев задержать их успеха не имели. 10 декабря части генерал-майора А. М. Городнянского продвинулись от 6 км до 16 км, а противник поспешно отступал в западном и северо-западном направлениях.
Левофланговые соединения подвижной группы генерал-лейтенанта Ф. Я. Костенко 7 декабря смогли продвинуться всего на 2–4 км. А вот ее правофланговые войска, наоборот, удачно использовав ослабление противостоявшей группировки, продвинулись почти на 15 км. В последующие дни подвижная группа Ф. Я. Костенко (5 кк, 34 мсбр, 1 гв. сд, 129 тбр, 642 пап, 4 гмп) успешно развивала наступление в северном направлении, в тыл 34-му армейскому корпусу противника. К полудню 10 декабря части ударной группы, преодолев с боями расстояние в 45 км, перерезали главную коммуникацию врага — дорогу Ливны — Елец и отсекли немцам пути отступления на запад. По этому поводу Гальдер в своем дневнике записал: «Снабжение войск 34-го армейского корпуса нарушено. Противник перерезал пути подвоза корпуса»[70].
Для успешного окружения отходивших на северо-запад частей противника нужно было предварительно решить две основные задачи: увеличить темп наступления; изменить направления ударов 13-й армии и группы Костенко, нацелив их на Верховье. В целом этому благоприятствовала и общая обстановка. Так, соседняя 3-я армия под командованием генерал-майора Я. Г. Крейзера, используя успехи войск левого крыла Западного фронта, перешла всеми своими силами в наступление. Южнее группы Костенко двинулась вперед 40-я армия. С учетом этого маршал Тимошенко приказал 13-й армии усилить темп наступления и к исходу 13 декабря выйти на рубеж Верховье, Ливны и южнее для создания внешнего фронта окружения. Группе Костенко предстояло создать внутренний фронт окружения елецко-ливненской группировки врага, а затем завершить ее разгром[71].
Выполняя поставленные задачи, войска под командованием генералов Городнянского и Костенко к исходу 12 декабря полуокружили елецкую группировку врага. Полное ее окружение завершилось к исходу 16-го числа, когда левофланговые соединения 3-й армии вышли к поселку Судбищи (68 км северо-западнее Ельца).