3 (16) января был отдан боевой приказ Конармии о форсировании Дона, и 4 (17) она перешла в наступление на Ольгинскую, но даже в пешем строю, пишет Буденный, не смогла развернуть свои части в боевой порядок, не смогла использовать ни артиллерии, ни пулеметов. «В этот день мы с Ворошиловым лично водили бойцов в атаки, несколько раз врывались на окраину станицы Ольгинской, но всякий раз наши атаки захлебывались в ураганном пулеметно–артиллерийском огне белогвардейцев… Не имея успеха, Конармия к ночи отошла в исходное положение». Книга Буденного издана в 1958 году и явно «отшлифована», Более ранние советские источники, а также и донские, не отмечают этих боев. Или их не было, или они носили характер усиленной разведки и упоминаются, чтобы подтвердить точное исполнение приказа о переходе в наступление 4 (17) января. Таковое действительно началось, но только в ночь с 4 (17) на 5 (18) января.

В наступление перешли 9–я дивизия из ст. Гниловской и 12–я стрелковая дивизия из Ростова — обе на Батайск. 4–я и 6–я кавалерийские дивизии из Ростова и Нахичевани на Ольгинскую, а 11–я кавалерийская дивизия из ст. Аксайской тоже на Ольгинскую. 16–я и 33–я стрелковые дивизии должны были наступать на фронт Ольгинская — Старочеркасская. Фактически эти дивизии из‑за «запоздавшей» перегруппировки в наступление не перешли, и только правофланговая 16–я дивизия оказала содействие Конармии. 9–я и 12–я стрелковые дивизии тоже действовали очень вяло в направлении на Батайск и поставленной им задачи не выполнили. 1–я конная армия Буденного 5 (18) января в 10 часов утра закончила переход реки Дон по льду и продолжала наступление дальше.

Массовый переход противника в наступление явился неожиданностью как для командиров корпусов, так и для штаба Донской армии, и обстановка в то время представлялась следующим образом (журнал военных действий Донской армии):

«…О противнике поступили разноречивые сведения, но в общем силы противника можно определить не менее дивизии конницы и дивизии пехоты… По выяснении обстановки до полудня, командарм решил разбить переправившиеся через Дон части противника и не допустить дальнейшей переправы, для чего приказано: 1) 3–му корпусу, подчинив себе 10–ю конную бригаду, не допустить переправы противника через Дон у Старочеркасской и наступлением от Ольгинской разбить красных, переправившихся по этой переправе. 2) Комкору Добровольческого, используя конницу ген. Барбовича и ген. Топоркова, переходом в наступление разбить Нахичеванскую группу противника. 3) Ком–кору 4–го конного перейти в наступление и разбить конницу противника, направляющуюся в разрез между 3–м и Добровольческим корпусами. 4) Комкорам приказано проявить самые энергичные действия, дабы раз навсегда положить предел попыткам противника к дальнейшему наступлению».

3–й Донской и Добровольческий корпуса оказали очень серьезное сопротивление, и, хотя конница Буденного заняла было хутор Старомахинский и ст. Ольгинскую, но далее продвинуться не смогла. Штаб 3–го Донского корпуса, сообщив о переходе через Дон у Аксайской переправы сильных пехотных и конных частей противника, вечером 5 (18) января донес, что «в результате упорного и длительного боя, в течение которого противник вводил новые части, ст. Ольгинская была нами оставлена. Части корпуса главными силами сосредоточились в ст. Хомутовской, оставив сторожевое охранение на линии высот между Ольгинской, Хомутовской и Злодейским»… Штаб Добровольческого корпуса доносил, что противник, заняв ст. Ольгинскую, наступал оттуда конницей силою до 4000 сабель при четырех орудиях на Батайск, двигаясь частью сил и на хутор Злодейский, но это наступление было отбито…

Получив после полудня новые сведения о занятии красными хутора Старомахинского и ст. Ольгинской и движении крупных сил конницы противника на хутор Злодейский в разрез между 3–м Донским и Добровольческим корпусами (4–й Донской конный корпус, находившийся в резерве против стыка этих корпусов, еще не втянулся в бой), командующий Донской армией отдал новую директиву:

«Противник после боя к вечеру 5 (18) января занял конными частями Старомахинский, Ольгинскую и х. Злодейский и лезет в мешок. Более благоприятной обстановки для нас ожидать нельзя. На 6 (19) января приказываю разбить переправившегося через Дон противника, для чего приказываю: 1) Ген. Гуселыцикову — 3–й Донской корпус — передав в подчинение Комкору 4–го конного 10–ю кон. бригаду и подчинив себе 1–ю Пластунскую дивизию ген. Карповича, атаковать противника в направлении на Ольгинскую, прочно обеспечив себя со стороны Старочеркасской станицы. 2) Ген. Павлову — 4–й Донской Конный корпус, — подчинив себе 10–ю кон. бригаду, атаковать в направлении на х. Злодейский. 3) Ген. Кутепову — Добровольческий корпус, — сосредоточив всю конницу в районе Батайска (добровольч. кон. бригада ген. Барбовича и Кубано–Терский Сводный корпус ген. Топоркова), атаковать во фланг и тыл Злодейскую группу противника. 4) Начало атаки всех корпусов — с рассветом. 5) О получении донести. № 064–К. 5 января, 19 часов 15 мин., 1920 г. Станица Сосыка. Ген. Сидорин».

Захватив ст. Ольгинскую, Конармия Буденного, поддержанная на правом фланге 12‑й стрелковой дивизией, наступавшей с севера на Батайск, а на левом 16‑й и 33‑й стрелковыми дивизиями, наступавшими на Ольгинскую и Старочеркасскую, с утра 6(19) января вновь перешла в наступление с целью развить свой успех. Для противодействия ей и ликвидации прорыва генерал Сидорин сосредоточил на небольшом участке фронта Батайск — Ольгинская — Старомахинский более 12 тысяч конницы, а кроме того, на этом участке действовала и пехота 3–го Донского корпуса. Казачьи части с трех сторон охватывали прорывавшуюся группу войск противника и, после ожесточенного боя, разгромили ее, принудив к беспорядочному отступлению.

По советским источникам, 1–й конной армией было произведено в течение дня до девяти конных атак, но все они были отбиты противником, и к вечеру шло беспорядочное отступление красной конницы. Начальникам конных частей с большим трудом удалось установить порядок и, прикрывая свой отход рядом контратак, к вечеру с большинством частей вернуться в Ростов. Некоторое количество частей отошло к ст. Ольгинской, где некоторые из них задержались, а остальные с наступлением темноты присоединились к армии, пробравшись в Ростов и Нахичевань.

По данным штаба Донской армии, этот бой протекал следующим образом:

«6 (19) января 1920 г. части ударной группы (4–й Дон. кон. корпус) в 9 часов выступили в направлении на Ольгинскую для атаки переправившегося противника. В 11 часов части начали развертывание в боевой порядок на линии Сухой Балки — Батайск. В 13 часов в районе х. Злодейского части корпуса завязали бой с конницей противника. Бой отличался особенным ожесточением и до 15 часов не давал перевеса ни той ни другой стороне. В 15 часов противник, разделив свои силы, одну дивизию направил против Батайска. Воспользовавшись этим, командир 4–го корпуса ген. Павлов ввел в бой свой резерв в тыл Батайской группе красных. Противник не выдержал и начал постепенно отходить, преследуемый нашими частями. Отступление противника скоро перешло в беспорядочное бегство, причем красные бросали орудия, пулеметы и ящики со снарядами. Некоторые части противника бросились по болотам к Дону. Лед на болотах проваливался, и орудия красных завязли. К ст. Ольгинской части корпуса подошли в полной темноте и были встречены сильным артиллерийским и пулеметным огнем пехоты, занявшей окопы на окраине станицы. Оставив одну бригаду против Ольгинской, корпус отошел в район Злодейской, имея в виду на следующий день утром продолжать успешно начатую операцию. За день боя наши части взяли 9 орудий, 50 пулеметов, много снарядов, винтовок и обозы. Корпус понес большие потери».

Когда разбитая казаками Конармия Буденного вечером 6 (19) января поспешно в беспорядке отступила на правый берег Дона, в ст. Ольгинской задержались части 16–й стрелковой и 11–й кавалерийской дивизий, а в ст. Старочеркасской — 33–я советская стрелковая дивизия. Часть последней, по свидетельству бывшего комиссара 11–й кавалерийской дивизии Озолина, тоже защищала ст. Ольгинскую. Эти дивизии были отлично вооружены как многочисленными пулеметами, так и артиллерией, почему части 4–го Донского конного корпуса, подойдя к ст. Ольгинской в темноте, не смогли выбить прочно засевшего там противника.