Перед началом операции «Кольцо» Рокоссовский предъявил командованию 6-й армии ультиматум, предложив им сдаться на почетных условиях с оказанием медицинской помощи, предоставлением полноценного питания, сохранением личного холодного оружия офицерам и боевых наград. Немецкое командование приняло парламентеров, но объявило им, что не имеет приказа на сложение оружия. На следующий день началась операция «Кольцо», а 27 января и сдача в плен немецких солдат и офицеров. 31 января сдался командующий 6-й немецкой армией генерал-фельдмаршал фон Паулюс. Он был привезен в штаб фронта и допрошен К.К.Рокоссовским и представителем Ставки маршалом артиллерии М.И.Вороновым. Паулюсу предложили отдать приказ о капитуляции своих войск во избежание бессмысленного кровопролития, но он отказался, сказав, что теперь не является их командующим.
Уже к утру следующего дня к части города, занятой немецкими войсками, была стянуты все гвардейские минометы. Плотность орудий на километр фронта доходила до 338. А всего минометов было 1656. После пятнадцатиминутного огневого налета началась массовая сдача в плен всей 91-тысячной сталинградской группировки. За Сталинградскую битву Рокоссовский был награжден орденом Суворова I степени.
Донской фронт был переименован в Центральный, и все его силы было приказано переместить в район Ельца. Однако значительных результатов достичь не удалось, и фронт стабилизировался в районе Курска и Орла. В ходе наступления советских войск образовалась Курская дуга, северный фас которой занимал Центральный фронт, перешедший к обороне.
Гитлеровское командование на протяжении нескольких месяцев готовило операцию «Цитадель», намереваясь нанести в расположении Центрального фронта главный удар на Поныри, которые обороняла 13-я армия генерала Н.П.Пухова. В ночь с 4 на 5 июля командарм позвонил Рокоссовскому и сообщил, что захвачен разведкой немецкий сапер, делающий проходы в минных полях, который сообщил, что в 3 часа ночи начнется немецкое наступление. Рокоссовский сообщил об этом Жукову, находившемуся в штабе фронта. Тот ответил, что время терять нельзя и предоставил Рокоссовскому право самому решать, открывать ли артиллерийскую подготовку. Рокоссовский отдал соответствующее приказание. Жуков немедленно доложил Сталину о начале Курской битвы. Немецкие войска все же начали наступление. Получив сведения об атаках противника, Рокоссовский не стал требовать от командиров срочных донесений, а объявил своему штабу, что отправляется спать. Он знал, что командармы позвонят сами, когда у них появятся новости.
Как и предполагал Рокоссовский, главный удар в полосе его фронта противник обрушил на Поныри. Противник вводил в бой все свои резервы, но за 4 дня смог продвинуться не более чем на 10 км. 12 июля немецкие войска перешли к обороне. Однако и советские войска были измотаны длительными боями и нуждались в пополнении. Но им был отдал приказ о переходе в наступление, к которому они не были достаточно подготовлены. Противник же использовал многочисленные укрепления и нередко переходил в контратаки.
Лишь 5 августа войска Центрального фронта освободили Орел, а войска Воронежского фронта – Белгород. В честь этой победы в Москве прозвучал первый салют 12 залпами из 120 орудий.
Войска Центрального фронта полностью освободили Курскую область, южную часть Брянской, а затем начали освобождение северных районов Левобережья Украины и юго-восточной Белоруссии, пройдя за 10 дней 180 км.
