Придавая большое значение этой операции, Ставка в начале января 1943 года вновь направила на Воронежский фронт Г. К. Жукова и А. М. Василевского. Вместе с командованием фронта они уточнили ее план и оказали помощь в подготовке. Замыслом операции предусматривалось нанесение главного удара по сходящимся на Алексеевку направлениям силами 40-й армии генерала К. С. Москаленко и 3-й танковой армии генерала П. С. Рыбалко, к исходу четвертого-пятого дня — окружение войск противника в районе Острогожска, Россоши и в короткие сроки завершение их разгрома. Вспомогательный фронтальный удар со щучьенского плацдарма в направлении Щучье, Карпенково должны были нанести дивизии 18-го отдельного стрелкового корпуса генерала П. М. Зыкова. Предполагалось, что действия 40-й армии на флангах будет обеспечивать 4-й танковый корпус, а наступление 3-й танковой армии — 6-я армия Юго-Западного фронта. Планировалось создать внутренний и внешний фронты окружения. К концу операции намечалось захватить рубеж Репьевка, Валуйки, Покровское.
Такой план в наибольшей мере отвечал складывавшейся обстановке, позволял наилучшим образом использовать оперативное преимущество войск Воронежского фронта — плацдарм на Дону, охватывающее положение по отношению к противнику, а также его слабость. При этом учитывался и опыт Сталинградской операции, но в отличие от последней удар по сходящимся направлениям здесь должны были наносить не фронтовые, а армейские объединения. Нельзя не упомянуть о таком достоинстве этого плана, как проведение одновременно с действиями по окружению фронтального рассекающего удара силами 18-го стрелкового корпуса, что создавало благоприятные предпосылки для быстрого разгрома крупной группировки врага.
При подготовке операции предусматривалось немало сложных оперативных мероприятий. Прежде всего, это перегруппировка из глубины и вдоль фронта восьми стрелковых дивизий и шести танковых бригад, затем вывод в исходные районы наступления прибывших кавалерийского и трех танковых корпусов, пяти стрелковых дивизий, танковой и трех лыжно-стрелковых бригад, а также трех артиллерийских дивизий. При этом сосредоточение и перегруппировка проводились в сложных условиях: до 40 % соединений и частей совершали длительные ночные марши в пургу и метели, по труднопроходимым дорогам на расстояние от 100 до 175, а иногда — до 350 км. Из-за бесконечных поломок много танков не дошло до переднего края. Так, в 3-й танковой армии от станции выгрузки в назначенный район прибыло только 306 танков из 428. Отдельные соединения, как, например, 4-й танковый корпус, вообще не смогли подойти к началу боевых действий.
Учитывая, что наступление противника в полосе фронта было маловероятным, командование смело пошло на ослабление второстепенных направлений и за счет этого создало ударные группировки, которые по своим боевым возможностям могли взломать оборону и развить успех в оперативную глубину. Всего на трех участках прорыва шириной 34 км (12 % общего фронта наступления) было сконцентрировано 12 стрелковых дивизий и 2 танковых корпуса. Это позволило достичь превосходства над противником по личному составу в 2,7–3,2 раза, по артиллерии — в 5–8, по танкам — в 1,3–2 раза. Рубежи и позиции на второстепенных участках наступления занимали лишь отдельные части и подразделения. Плотность здесь составляла один батальон на 10 км фронта.
В предстоящем наступлении важная роль отводилась артиллерии. Массированным огнем она должна была обеспечить прорыв вражеской обороны на всю тактическую глубину, не допустить контратак противника на флангах, в особенности на правом, всячески содействовать разгрому его резервов, а затем рассечению и уничтожению всей группировки. В 40-й армии и 18-м отдельном стрелковом корпусе, в полосах наступления которых, по данным разведки, построение обороны противника было самым глубоким, создавались армейская и корпусная артиллерийские группы. На артиллерийскую подготовку атаки отводилось 120 минут. Большое количество орудий планировалось использовать для стрельбы прямой наводкой.
Решающая роль в проведении Острогожско-Россошанской наступательной операции отводилась 3-й танковой армии под командованием старого кавалериста генерала П. С. Рыбалко. Она состояла из 12-го (30, 97, 106 тбр; 13-я мотострелковая бригада, 13-я инженерно-минная рота, 6-й разведбатальон, 88-я и 93-я подвижные рембазы) и 15-го (88, 113, 195 тбр; 52-я мотострелковая бригада, 5-й разведбатальон, 71-я и 96-я подвижные рембазы) танковых корпусов и 39-го разведывательного бронебатальона. Перед наступлением дополнительно в состав армии были включены 7-й кавалерийский корпус с 201-й танковой бригадой, 180-я и 184-я стрелковые дивизии, 173-я отдельная танковая бригада, 8-я артиллерийская дивизия, 15-я и 16-я гвардейские минометные бригады, 97-й гвардейский минометный полк, 46-й и 47-й инженерные батальоны резерва Ставки ВГК.
По штату в тяжелой танковой бригаде танковой армии насчитывалось 24 тяжелых танка КВ и 27 легких танков Т-60/Т-70 (на 3 января 1943 года в 3-й танковой армии была только одна 97-я тяжелая танковая бригада 12-го танкового корпуса. — Примеч. авт.), а в остальных — по 20 средних танков Т-34 и 26 легких танков Т-70/Т-60. В 201-й танковой бригаде на 12 января 1943 года числилось 49 танков английского производства: 6 МК II «Матильда» и 43 МК III «Валентайн». В 173-й танковой бригаде на 15 января 1943 года было 5 КВ, 21 Т-34 и 20 Т-70/Т-60[2].
Армия имела задачу, наступая в 30-километровой полосе (от Пасеково до Ясиноватой), ударом главных сил из района северо-западнее Кантемировки прорвать на 10-километровом участке оборону 24-го танкового корпуса противника и развивать наступление в северо-западном направлении. К исходу четвертого дня наступления армия должна была танковыми корпусами выйти на рубеж Каменка, Алексеевка, где соединиться с войсками 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса, наступающих с северо-востока, окружить и уничтожить острогожско-россошанскую группировку противника, а 7-м кавалерийским корпусом развить успех в западном направлении, овладеть Валуйками и Уразово и перерезать железную дорогу Касторная — Купянск. Глубина задачи армии составляла 150 км, среднесуточный темп наступления танковых корпусов — 40 км, а стрелковых дивизий — 20 км[3].
Для поддержки боевых действий армии выделялись 227-я штурмовая и 205-я истребительная авиационные дивизии, 646-й и 715-й ночные авиационные полки (У-2) 2-й воздушной армии.
В течение 5 января командарм П. С. Рыбалко с командирами танковых корпусов, стрелковых дивизий, начальниками родов войск и офицерами штаба армии производил рекогносцировку местности. Командарм решил прорвать оборону противника тремя стрелковыми дивизиями и стрелковой бригадой, усиленной танками непосредственной поддержки и артиллерией, а танковые корпуса и кавалерийский корпус использовать для развития успеха. Учитывая, что в полосе наступления армии оборона противника была недостаточно развитой и ее глубина не превышала 4 км, танковые корпуса планировалось ввести в сражение после продвижения стрелковых дивизий на глубину до 3 км.
В центре наступали 180-я и 48-я гвардейская стрелковые дивизии, а на флангах — 37-я стрелковая бригада и 184-я стрелковая дивизия со средствами усиления. При этом 180-я дивизия получила на усиление 173-ю отдельную танковую бригаду, а 48-я гвардейская стрелковая дивизия — 97-ю танковую бригаду 12-го танкового корпуса.
12-й танковый корпус, усиленный 1172-м истребительно-противотанковым артиллерийским и 319-м зенитно-артиллерийским полками, а также 40-м инженерным батальоном, получил задачу войти в прорыв на стыке 48-й гвардейской и 180-й стрелковых дивизий, к исходу дня овладеть Россошью и Лизиновкой и в дальнейшем наступать на Каменку. 15-й танковый корпус, усиленный 368-м истребительно-противотанковым артиллерийским полком, 71-м зенитно-артиллерийским полком и 47-м инженерным батальоном, должен был пойти в прорыв на стыке 48-й и 184-й дивизий, к исходу дня овладеть Екатериновкой и в дальнейшем наступать на Варваровку и Алексеевку.