3-я танковая армия была своего рода «тузом в рукаве» советского командования. После Козельской операции августа 1942 г. она приводила себя в порядок, ремонтировала технику, вела боевую подготовку. Когда под Сталинградом гремели залпы «Урана», а под Ржевом — «Марса», 3-я танковая армия находилась в резерве и могла быть использована для дальнейшего развития операций на московском или сталинградском направлениях. «Марс» увяз в позиционных боях, «Уран» привел к впечатляющему успеху. Армия П.С.Рыбалко получила приказ на перегруппировку на юг. Погрузка людей и техники проходила с 28 декабря 1942 г. по 5 января 1943 г. Армия выгружалась на только что освобожденных станциях Бутурлиновка, Таловая, Верхний Мамон и Калач под ударами с воздуха. 28 декабря на станции Бутурлиновка в результате бомбардировки погиб командир 12-го танкового корпуса М.И.Чесноков. После выгрузки из эшелонов части армии П.С.Рыбалко 130–210 км ночными маршами выходили в районы сосредоточения. Танковая армия была выдвинута на слабо прикрытый фланг 8-й итальянской армии, в полосу 6-й армии Юго-Западного фронта на участок между Новой Калитвой и Кантемировкой. Вскоре этот участок был включен в полосу Воронежского фронта.
По своему замыслу Острогожско-Россошанская операция представляла собой классические «канны» — фланговые удары по сходящимся направлениям с целью окружения противостоящего противника. Северная ударная группировка использовала нависающее положение вследствие изгиба русла Дона, а южная — открывшийся вследствие «Малого Сатурна» фланг противника. Северную и южную ударные группировки составляли соответственно 40-я армия К.С.Москаленко и 3-я танковая армия. Также был спланирован вспомогательный удар силами 18-го отдельного стрелкового корпуса П.М.Зыкова, дробящий окружаемую группировку противника на несколько разрозненных частей. Аналогично операциям на фланге Сталинграда, наступления предполагалось начать с плацдармов, захваченных на правом берегу Дона. На так называемом сторожевском плацдарме к югу от Воронежа и непосредственно за ним на левом берегу Дона сосредоточивались основные силы 40-й армии в составе пяти стрелковых дивизий, одной стрелковой бригады и 4-го танкового корпуса со средствами усиления. Она должна была своими основными силами прорвать оборону противника на 10-километровом участке и развить удары на Алексеевку и Острогожск. На щучьенском плацдарме сосредоточивались основные силы 18-го отдельного стрелкового корпуса в составе трех стрелковых дивизий и одной стрелковой бригады. Они должны были прорвать оборону противника на 8-километровом участке и развивать наступление, нанося главный удар на Карпенково и одновременно расширяя прорыв в стороны флангов наступлением на Острогожск и Сагуны. Образование внешнего фронта окружения на этом направлении и обеспечение фланга 40-й армии со стороны воронежско-касторненской группировки противника предполагалось осуществить силами 4-го танкового корпуса.
С самого начала в замысел наступления была заложена асимметричность. Наиболее сильный удар предполагалось нанести со стороны слабо обеспеченного южного фланга окружаемой группировки противника силами 3-я танковой армии. Она должна была прорвать оборону противника на 16-километровом участке и развивать охватывающие удары из района северо-западнее Кантемировки в северном и северо-западном направлениях навстречу пехоте 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса. К исходу четвертого дня операции предполагалось соединиться с ними в районах Каменки, Острогожска и Алексеевки. Единственное механизированное соединение северной ударной группировки — 4-й танковый корпус — предполагалось использовать не для удара на замыкание кольца, а для образования внешнего фронта окружения и парирования возможных контрударов противника.
Образование внешнего фронта окружения и обеспечение операции с юга и запада возлагалось на 7-й кавалерийский корпус, усиленный одной отдельной танковой и тремя лыжно-стрелковыми бригадами. Этот корпус должен был войти в прорыв на левом фланге 3-й танковой армии, наступать в общем направлении на Ровеньки, Валуйки и к исходу четвертого дня операции перерезать железную дорогу Касторное — Купянск на участке Валуйки, Уразово.
