После восьмидесятиминутной артиллерийской подготовки в 8.50 части 5-й танковой армии перешли в наступление по всему фронту. На переднем крае обороны дивизии первого эшелона, наступавшие на главном направлении, встретили слабое сопротивление. По мере продвижения в глубину сопротивление противника возрастало и продвижение пехоты замедлялось. Атака правофланговой 14-й гвардейской дивизии против 9-й румынской пехотной дивизии вообще успеха не имела.
Операция «Уран» стала одной из первых, в которой применялись танки-тральщики. Однако первый блин был все же комом: из пяти танков с тралами два вышли из строя и минное поле проутюжили всего три машины. Полноценные проходы такими силами пробить было проблематично. В результате в 8-й гв. танковой бригаде подорвалось четыре танка: 2 КВ, 1 Т-34 и 1 Т-60. Потери бригады от мин превысили потери от огня противника. За первый день сражения, помимо четырех подорвавшихся, бригада потеряла один танк Т-60 сожженным и три Т-60 подбитыми. В первый день наступления 124-я стрелковая дивизия потеряла 106 человек, 119-я стрелковая дивизия потеряла 183 человека убитыми и ранеными, 47-я гв. стрелковая дивизия — 271 человека.
Однако атака пехоты была лишь прелюдией атаки крупных танковых сил. В 13.00 танковые корпуса вышли на линию наступающей пехоты: 1-й танковый корпус получил для действия полосу около 8–9 км по фронту, а 26-й танковый корпус — 12–14 км. Общая ширина полосы действий танковых корпусов, таким образом, была около 20–22 км. Корпуса шли плечом к плечу. Непосредственно в прорыв они входили каждый на участках 5–6 км, имея примкнутыми свои внутренние фланги и в стороны внешних флангов свободные полосы по 5–6 км. К моменту ввода в бой танковых корпусов оборона противника еще не была полностью прорвана, и танковые корпуса, преодолев с ходу последние очаги сопротивления, начали быстро продвигаться на юг.
Наиболее мощным и стремительным был удар 26-го танкового корпуса, который, разгромив в полосе движения части 5-й и 14-й пехотных дивизий противника, к рассвету 20 ноября овладел Новоцарицынским, Перелазовским, где разгромил штаб V армейского корпуса румын и захватил большие трофеи. Танки, подойдя к Перелазовскому, с ходу открыли огонь, а мотопехота быстрым броском на машинах подошла на дистанцию ружейно-пулеметного огня и охватила Перелазовский с флангов и тыла. Удар корпуса был настолько сокрушительным, что ошеломленный противник, оказав очень слабое сопротивление, бросил оружие и группами начал сдаваться в плен. Только 19-я танковая бригада, двигавшаяся на левом фланге корпуса, была задержана противником и сумела присоединиться к корпусу в Перелазовском только утром 21 ноября.
В то время как 26-й танковый корпус быстро продвигался вперед, в 1.00 20 ноября передовые части 1-го танкового корпуса вышли к Усть-Медведицкому (Песчаному). Однако попытка взять его с ходу потерпела неудачу. Передовой отряд отошел в лощину севернее села. За ночь было решено прощупать противника разведкой. Противником была 22-я танковая дивизия противника, подходившая из глубины. Надо сказать, советская разведка не сумела своевременно выявить наличие 22-й танковой дивизии противника, поэтому столкновение с ее частями в районе Песчаного было до некоторой степени неожиданностью.
Если бы все шло по плану, дивизия могла и не оказаться на пути советского танкового корпуса. Поначалу даже не было никаких предпосылок для выдвижения резерва группы армий к плацдарму у Серафимовича. В 9.00 утра 19 ноября командир XXXXVIII корпуса Гейм позвонил в группу армий «Б» и потребовал немедленно ввести его танковый корпус в северо-восточном направлении в сторону Клетской. Свое решение Гейм мотивировал тем, что со стороны Клетской возникла реальная опасность для тыла 6-й армии. Начальник штаба группы армий фон Зондерштерн согласился с командиром корпуса. В 9.30 корпус начал марш к Клетской, на направление вспомогательного удара Юго-Западного фронта. Однако в 10.45 корпус Гейма получает новый приказ, на этот раз от командования сухопутных войск: «Наступление должно осуществляться не на северо-восток, а на северо-запад». То есть XXXXVIII корпус перенацеливался на плацдарм у Серафимовича. Остроты ощущений солдатам и офицерам корпуса добавляло то, что все эти маневры осуществлялись в метель на обледенелых дорогах. Надо сказать, что Верховное командование приняло правильное решение и направило свой самый сильный резерв на направление главного удара советских войск.
Активность авиации сторон в первый день «Урана», ввиду плохой погоды, была достаточно низкой. Советские ВВС отметились всего 44 самолето-вылетами, в основном в районе Клетской. VIII авиакорпус выполнил 120 самолето-вылетов с аэродромов в районе Карповки. Летали в основном «Штуки» из I группы 2-й эскадры пикирующих бомбардировщиков.
Второй день наступления 5-й танковой армии ознаменовался столкновением с частями мятущегося между плацдармами XXXXVIII танкового корпуса. С рассветом 20 ноября части 5-й танковой армии возобновили наступление с задачей развить успех первого дня и совместно с частями 21-й армии уничтожить 3-ю румынскую армию.
1-й танковый корпус и следовавшие за ним 8-й мотоциклетный полк и 8-й кавкорпус 20 ноября задержались перед Усть-Медведицким (Песчаным). Густой туман окутывал все вокруг. Погода была, очевидно, нелетная, и корпус расположил свои многочисленные автомашины без рассредоточения, крупными массами в открытой степи. Однако столь же густой туман окутывал противника. Проведенная разведка идентифицировала противника как «6-й пехотный полк 1 мпд румын, заград отряд, силою до батальона состоящий из немцев, до 3 дивизионов артиллерии разных калибров на позиции и до 20 танков». Такие относительно слабые силы было решено таранить в лоб. О том, что по другую сторону фронта находится 22-я танковая дивизия, разведка не сообщила.
Сопротивление противника было сломлено в середине дня, однако наступление по назначенному планом маршруту было теперь сопряжено с большими трудностями. Из Усть-Медведицкого части 22-й танковой дивизии отошли дальше на юг, закрепившись на высотах южнее его. Чтобы двигаться дальше строго по плану, 1-му танковому корпусу пришлось бы раз за разом сбивать противника с очередного рубежа, теряя людей и технику. Командарму Романенко пришлось в приказном порядке разворачивать Буткова в обход узла сопротивления противника.
В дальнейшем 22-я танковая дивизия отошла в район Медвежьего. Следует отметить, что на 20 ноября она еще не была окружена. Дивизия вела бой с открытыми флангами, но на пути ее отхода на запад или на юг никаких препятствий не было. С наступлением темноты части корпуса были выведены из боя и через Малую и Большую Донщинку должны были выходить в назначенный планом операции район. Такое решение — обход узла сопротивления противника — просматривался с самого начала. Можно было обойти Песчаный и ударить во фланг и тыл удерживавшему его противнику. Однако весь день корпус Буткова таранил Песчаный в лоб, неся потери в людях и технике. Задача дня не была выполнена, 1-й танковый корпус уже на второй день наступления существенно выбился из графика. По плану он должен был уже в первый день наступления прорваться на 25–30 км южнее той точки, в которой находился вечером 20 ноября.
