Прибыв в Воронеж в эти тяжёлые для обороняющих город войск дни, Черняховский убедился, что он может только номинально числиться командиром танкового корпуса. Танковые бригады, входящие в корпус, подчинили командирам пехотных дивизий, и те использовали бригады для затыкания дыр на опасных направлениях. Предложение И. Д. Черняховского собрать танковый корпус в единый кулак и использовать его более эффективно против наступающего противника не нашли поддержки у командующего 60-й армии генерала Антонюка.
Тем временем Сталин, недовольный отступлением наших войск на воронежском направлении, решил сменить командование Воронежским фронтом. Заодно надо было решить вопрос о командующем Брянским фронтом. Маршал А. М. Василевский, бывший в то время начальником Генерального штаба, пишет в своих воспоминаниях о совещании у Сталина, где решался вопрос о назначениях на эти должности. С Брянским фронтом вопрос решился быстро – кандидатура генерала К. К. Рокоссовского, командовавшего до этого армией, ни у кого не вызвала сомнений. А для Воронежского фронта стали перебирать несколько кандидатур. Тогда присутствовавший на совещании заместитель начальника Генерального штаба генерал-лейтенант Н. Ф. Ватутин обратился к Сталину с предложением назначить его командующим Воронежским фронтом. Сталин удивился, таких предложений прежде в этом кабинете не звучало, но, посовещавшись тут же с А. М. Василевским, согласился. Так вскоре под Воронежем появился этот опытный военачальник. Кстати, следует напомнить читателям, что воронежская земля была родной для Ватутина. Он родился в 1901 году в селе Чепухино Валуйского уезда Воронежской губернии. Ныне Валуйский район входит в Белгородскую область. Автор этих строк, для которого Валуйки тоже являются родным городом, в далёком послевоенном детстве бывал со школьной экскурсией в доме, где родился Н. Ф. Ватутин, и слушал рассказ его старушки-матери о детстве Коленьки, как она его называла.
С генералом Ватутиным Черняховский был уже хорошо знаком. На Северо-Западном фронте, где Иван Данилович воевал в качестве командира дивизии первые месяцы войны, Ватутин был начальником штаба, пока его не отозвали в Генеральный штаб. Боевое сотрудничество командующего фронтом Н. Ф. Ватутина и командующего армией И. Д. Черняховского продолжалось и после сражения за Воронеж. Это в армию Черняховского ехал командующий 1-м Украинским фронтом Н. Ф. Ватутин в апреле 1944 года, когда попал в засаду, организованную украинскими националистами, и был смертельно ранен. А теперь давайте вернёмся к событиям июля 1942 года под Воронежем.
24 июля И. В. Сталин, скорее всего по представлению Ватутина, освободил от должности командующего 60-й армией генерал-лейтенанта М. А. Антонюка, назначив на его место генерал-майора И. Д. Черняховского. Интересны обстоятельства, которые сопровождали это назначение. В тот день генерал Антонюк собрал Военный совет 60-й армии для подведения итогов боевых действий под Воронежем. Первым он начал распекать Черняховского за большие потери танков в его 18-м корпусе. В это время Антонюка вызвал к телефону прямой связи Сталин. Генерал доложил ему, что проводит заседание Военного совета, где обсуждаются причины неудач в боях за Воронеж, и предложил освободить генерала Черняховского от командования танковым корпусом за большие потери в танках. На вопрос Сталина, а каковы потери в танках у противника в боях с танкистами Черняховского, растерявшийся Антонюк ничего не смог ответить. Сталин сообщил ему, что вот он об этом знает и что вражеские потери в два раза выше наших. В заключение разговора Верховный Главнокомандующий сказал, что освобождает Антонюка от должности командующего армией, а вместо него назначает И. Д. Черняховского. Обескураженный Антонюк вернулся на совещание, передал Черняховскому приглашение Верховного к прямому проводу и сел у края стола. Участники совещания недолго строили догадки. Вернувшийся вскоре Черняховский занял за столом место командующего, объявил о своём назначении и перенёс заседание на следующий день.
60-я армия вторичного формирования была организована 7 июля 1942 года путём преобразования 3-й резервной армии и в составе имела 107, 121, 161, 167, 195, 232, 237 и 303 стрелковые дивизии. 75-й укреплённый район, а также ряд танковых, артиллерийских и других соединений и частей.
С началом немецкого наступления на воронежском направлении армию из резерва направили под Воронеж. Офицерский состав для штаба и различных армейских подразделений в основном комплектовался из запасников, не имевших боевого опыта, и И. Д. Черняховский на первых порах много внимания уделял работе с офицерами штаба армии и дивизионных штабов. Входившие в состав армии воинские соединения по своему составу были далеки от штатной численности. Если и прибывали в армию полнокровные дивизии, такие, как 303-я стрелковая дивизия сибиряков, то в первых же ожесточённых боях под Воронежем они несли большие потери. Черняховский пытался провести операции по освобождению Воронежа, но сил для этого было явно недостаточно, и армия с наступлением холодов перешла к активной обороне.
После стабилизации линии фронта соединения 60-й армии занимали позиции севернее Воронежа, а по левому берегу реки Воронеж оборону держала 40-я армия под командованием генерала М. М. Попова. Она тоже пыталась вместе с 60-й армией освободить от захватчиков Воронеж, но дальше изгнания оккупантов из городка СХИ и захвата важных в оперативном отношении плацдармов в окраинной воронежской слободе Чижовке и селе Шилово дело не пошло.
На 60-ю армию выпала основная нагрузка по сдерживанию рвущихся на восток фашистских захватчиков. Боевые действия армии при содействии других соединений Воронежского фронта привели к срыву гитлеровского плана Blau. Застрявшие под Воронежем фашистские дивизии не смогли пополнить войска, оказавшиеся у стен Сталинграда.
Осенью 1942 года при вражеском наступлении на Воронеж образовался выступ, своего рода Воронежская дуга, глубиной около 100 километров при длине основания около 130 километров. Воронеж находился на восточной вершине этой дуги. Внутри выступа располагались 10 немецких дивизий 2-й армии и 2 венгерские дивизии.
Советское Верховное командование и командование Воронежского фронта решили нанести удар по флангам этого выступа и окружить находившиеся там вражеские войска. В конце 1942 года несколько воинских частей 40-й армии были переданы под командование Черняховского в 60-ю армию, а 40-я своим основным составом была переведена на новые позиции для участия в Острогожско-Россошанской операции. 60-я армия стала готовиться к проведению Воронежско-Касторненской наступательной операции, которая должна была привести к освобождению Воронежа.
Операция началась 24 января 1943 года ударом 40-й армии, усиленной 4-м танковым корпусом, в южной части выступа по направлению на Горшечное и Касторное. На следующий день в северной части выступа вступили в бой 38-я и 13-я армии Брянского фронта. 60-я армия наступала в центре этого выступа. Перед наступлением во всех воинских частях 60-й армии зачитывалось обращение Военного совета армии:
«Перед нами древний русский город Воронеж. В недавнем прошлом – город больших социалистических фабрик и заводов, город жизнерадостного советского студенчества, город благоухающих садов и парков. На нас возложена почётная задача полностью уничтожить воронежскую группировку противника и освободить Воронеж. Бойцы, командиры и политработники! Военный совет призывает вас наступать смело, решительно, дерзко. Громите врага без передышки, окружайте и уничтожайте его, не давайте останавливаться».
Почувствовав угрозу окружения, немецкий гарнизон Воронежа спешно покинул город в ночь на 25 января. Некоторые современные «военные стратеги» даже упрекают И. Д. Черняховского в том, что не пришлось 60-й армии освобождать Воронеж в ожесточённых боях. Послушать этих «стратегов», так можно подумать, что эту угрозу окружения немцы создали для себя сами. Утром московское радио сообщило об освобождении Воронежа. В сводке Совинформбюро говорилось:
«25 января войска Воронежского фронта, перейдя в наступление в районе Воронежа, опрокинули части немцев и полностью овладели городом Воронеж:. Восточный берег р. Дон в районе западнее и юго-западнее города также очищен от немецко-фашистских войск. Количество пленных, взятых под Воронежем, к исходу 24 января увеличилось на 11000 солдат и офицеров. Таким образом, общее количество пленных, взятых в районе Воронежского фронта, дошло до 75000 солдат и офицеров».
60-я армия, преследуя убегавшего из Воронежа противника, своим правым крылом развернула наступление в направлении Нижней Ведуги. На левом фланге армии Черняховский создал мощную ударную группу из 232-й, 322-й, 232-й, 141-й дивизий и 253-й стрелковой бригады. Острие удара этой группы тоже направлялось на Нижнюю Ведугу, где была намечена стыковка с наступающей с севера 38-й армией Брянского фронта под командованием генерала Н. Е. Чибисова. В ночь на 24 января началось наступление ударной группы на хорошо укреплённые вражеские позиции в районе сел Семидесятное, Кочетовка, Костенки. Свой командный пункт генерал установил в селе Олень-Колодезь. Однако первые два дня боёв не принесли ощутимых результатов. Противник ожесточённо оборонялся. И только после ввода в бой 303-й дивизии под командованием полковника К. С. Федоровского на левом фланге армии и 100-й дивизии генерал-майора И. Ф. Перхоровича на правом линия фронта была прорвана. Активно действовали в северной части полосы наступления 60-й армии сводная бригада курсантов и 121-я стрелковая дивизия. Успешно начала продвижение к Нижней Ведуге 232-я стрелковая дивизия полковника И. И. Улитина. В первом эшелоне дивизии сражался 605-й полк, командовал которым подполковник Г. С. Васильев (1897–1943), опытный командир, кадровый военный, награждённый орденом Красного Знамени еще во время Гражданской войны. Незадолго до начала операции И. Д. Черняховский вручил ему ещё один орден Красного Знамени. В тяжёлом бою по освобождению от оккупантов села Нижнее Турово подполковник Васильев погиб. По представлению генерала посмертно ему присвоено было звание Героя Советского Союза. Похоронили его в братской могиле в селе Хохол, а в Нижнем Турове благодарные сельчане поставят потом на постамент бронзовый бюст героя.