Поскольку для немцев Воронеж имел решающее значение, на его захват были выделены значительные силы и ресурсы. Операция немецко-фашистских войск получила название «Блау» и осуществлялась армейской группировкой под командованием генерал-полковника барона фон Вейхса. Наступление началось 28 июня 1942, а 7 июля был образован Воронежский фронт Красной армии, которым командовал Николай Фёдорович Ватутин. Штаб фронта было решено разместить в Анне. 10 июня барон фон Вейхс объявил о завершении битвы за Воронеж, окончившейся победой Германии. Однако, как выяснилось немногим позднее, он сделал это объявление крайне поспешно, поскольку битва только начиналась и длилась в последствии 212 дней.
За город велись ожесточённые сражения как на подступах к Воронежу, так и в черте города. Линия фронта проходила по городу, однако фашистам не удалось захватить город полностью – Левый берег остался под контролем советской армии. Одной из важнейших позиций, которую наши войска захватили и удерживали с августа 1942 года до самого освобождения города, являлся Чижовский плацдарм.
Красная армия перешла в наступление 14 сентября 1942 года. Практически одновременно с эти советские войска начали активно продвигаться вперёд и под Сталинградом. В ходе операции «Малый Сатурн» войска Воронежского фронта при поддержке соседних фронтов выгнали противника с территории более чем 200 населённых пунктов Воронежской области. Главная схватка за воронежскую землю проходила в рамках Воронежско-Касторненской наступательной операции. 24 января 1943 года командование советских войск отдало приказ о наступлении в районе Воронежа и Касторного с целью лишить гитлеровскую армию возможности подобраться к Харькову и Курску. За Воронеж в течение восьми дней сражались 38-я, 40-я и 60-я армии Воронежского фронта, армия Брянского фронта, а также военные двух воздушных армий.
Погодные условия во время наступления были крайне неблагоприятные, однако немецкие войска потерпели поражение. Тогда командование немецко-фашистских войск отдало приказ взорвать Воронеж и вынести из него всё ценное. Противнику не удалось выполнить приказ благодаря своевременному докладу нашей разведки об этом чудовищном плане. Сразу после этого генерал Иван Черняховский приказал наступать советским войскам по всем фронтам. 25 января вся территория Правого берега была освобождена от захватчиков, а бойцы 60-й армии установили Красное знамя освобождения.
Советское Информбюро в этот же день сообщило на всю страну о полном овладении городом войсками Воронежского фронта. На следующий день после освобождения столицы Черноземья в Воронеж начали возвращаться мирные жители. К 1 марта 1943 года, как сообщали в газете «Правда», «более 10 тысяч воронежцев вернулись в свои родные места».