Утром 2 сентября 9-й и 13-й гвардейские стрелковые полки неожиданной атакой сбили противника с позиций западнее Павловка — Светлый Луч, углубились в его оборону и после полудня овладели совхозом «Металлист» Ам-вросиевского района Донецкой области. Не прошло и часа, как немцы предприняли мощную контратаку при поддержке тридцати танков и тяжелых самоходных орудий «Фердинанд». Совхоз «Металлист» оборонял 13-й, бывший мар-геловский полк. Основной удар пришелся на него. Полк вскоре оказался отрезан от основных сил корпуса, занял круговую оборону и несколько часов сражался в полном окружении. Контратака немецких танков была погашена дивизионными и корпусными противотанковыми средствами. До 4 сентября на этом участке шли упорные бои с переменным успехом. 13-й гвардейский полк с большими потерями вышел из окружения. Совхоз «Металлист» несколько раз переходил из рук в руки. Судя по накалу, ожесточенности боев и интенсивности атак и контратак, здесь сошлись основные стратегические интересы противоборствующих сторон. Никто не хотел уступать.

Однако сила силу ломит, и 4 сентября, подавив огневые средства противника, дивизия снова пошла вперед, продвинулась за сутки до 17 километров и освободила 11 населенных пунктов. Среди них хутор Берестовой, хутор Ре-бриково, хутор Грабово. Авангарды передовых полков достигли берега реки Кальмиус.

Десятого сентября дивизия во взаимодействии с 5-й и 6-й гвардейскими механизированными бригадами и 14-м истребительным противотанковым артиллерийским полком РГК, сметая все на своем пути, ворвалась в город Волноваху и захватила одноименную железнодорожную станцию. Первыми в Волноваху вошли 13-й и 9-й гвардейские стрелковые полки. Ударной группой дивизии командовал только что прибывший из санчасти полковник Маргелов. Одним из штурмовых отрядов, сформированных по приказу начальника штаба дивизии, командовал гвардии лейтенант Голубев. Отряд действовал стремительно и дерзко. Вокзал на станции Волноваха захватили почти без боя. На путях в это время стояло несколько немецких эшелонов. Со станции они так и не вышли. Лейтенант Голубев вскоре доложил, что задача по захвату станции и блокированию путей выполнена.

Маргелов любил таких командиров, молодых, энергичных, умевших действовать расчетливо, решительно и дерзко. Всегда ставил их в пример, поощрял, продвигал как мог.

Началось освобождение Волновахского района. 10–11 сентября дивизия заняла Дмитриевку, Голубицкое, Затишное, Малиновку, Хлебодаровку, Веселое, Новопетропав-ловку, Златоустовку, Николаевку, Катериновку и станцию Зачатьевскую. Далее дивизии было приказано действовать в юго-западном направлении. Впереди лежала Запорожская область. Завязались бои на линии Вольное — Медовка — Вишневатое. В ночь с 13 на 14 сентября 13-й гвардейский корпус силами двух дивизий, усиленными танками и самоходками отдельных частей прорыва, сбил противника с их позиций и начал преследование его в направлении Розовки. В тот же день овладел этим крупным населенным пунктом. В последующие дни 3-я гвардейская стрелковая дивизия захватила Большой Токмак, Шевченко, Ленино-1. 21 сентября освободила Молочанск.

К двадцатым числам сентября 1943 года части и соединения 2-й гвардейской армии вышли к реке Молочной. Донбасская наступательная операция завершилась.

После ожесточенных боев 3-ю гвардейскую стрелковую дивизию, изрядно потрепанную, отвели на пополнение и приведение себя в порядок.