17-18 сентября 1942г. советские войска штурмовали северные окраины Воронежа ( 60А) и Чижовку (40А). Развить успех наступления, достигнутого 15-16 сентября, не удалось. Сказалось, что в первые дни наступления было израсходовано 1.5 боекомплектов боеприпасов, а вторая линия обороны немцев не была в достаточной степени разведана. Для развития успеха на Чижовке командование 40-й армии решило использовать 25-й танковый корпус. Однако, переброска танков по малопригодной для этого каменной дамбе в условиях плохой видимости (ночью) привела к большим потерям. Остановившиеся машины подчас приходилось сталкивать в воду. В результате этого из 53 танков корпуса переправить удалось только 19, да и боеспособными из них были только 9 машин. 17-18 сентября все они были выбиты в ходе уличных боёв.
Вечером 18 сентября Ватутин обратился в Ставку с просьбой усилить фронт тремя дивизиями. Ставка отказала и рекомендовала командующему перейти к обороне. Но фронт проигнорировал указание Ставки и 19-20 сентября ударная группа 38-й армии штурмует Ольховатку. В ходе боёв 22-24 сентября фронт 13-го армейского корпуса немцев был прорван и гарнизон Ольховатки окружён. Не увенчалось успехом и немецкое наступление на севере Воронежа.
Всё это вынудило немецкое командование усилить свою группировку на Верхнем Дону. К исходу сентября здесь действовали 15 немецких и 9 венгерских дивизий. Благодаря этому противнику удалось перехватить инициативу. В ходе боёв последней недели сентября немцам удалось деблокировать Ольховатку и потеснить войска 60-й армии на севере Воронежа.
Это заставило Ставку вечером 28 сентября резким окриком вернуть командование Воронежского фронта к реальности, категорически запретив ему проводить какие бы то ни было наступления, как севернее, так и южнее Воронежа. Одновременно предписывалось вывести в резерв четыре стрелковые дивизии и два танковых корпуса.
С начала октября 1942 года обе стороны переходят к позиционной обороне. Основным видом боевых действий становится методичное убийство солдат и офицеров противника посредством снайперов.
Немецкое командование бросает с трудом собранные резервы на овладение очередным домом в Сталинграде. Но всё-таки героическая оборона Воронежа сыграла важнейшую роль в ходе Сталинградской битвы. В это время советское командование начинает подготовку операции по окружению 6-й армии Паулюса.