Командующий Воронежским фронтом решил осуществить прорыв обороны противника на трех участках: на правом фланге 38-й армии, на левом фланге 60-й армии (на правом берегу Дона) и на участке 40-й армии. Главный удар предполагалось осуществить так же, как и в Острогожско-Россошанской операции против открытого фланга окружаемой группировки противника, то есть 40-й армией из района Роговатое, Шаталовка в направлении на Касторное. Армия К.С.Москаленко должна была во взаимодействии с 13-й армией Брянского фронта, наносившей удар на Касторное с севера, окружить и уничтожить воронежско-касторненскую группировку немецких войск.
На войска 40-й армии возлагалась также задача по обеспечению всей операции с юго-запада и образованию внешнего фронта окружения, для чего левофланговые соединения армии должны были развивать наступление в направлении Терехово, Ястребовка.
38-я армия генерал-лейтенанта Н.Е.Чибисова должна была наступать из района Тербуны 2-е главными силами на Ниж. Ведуга и одной дивизией на Касторное.
60-я армия генерал-майора И.Д.Черняховского должна была нанести удар из района Яблочное, главными силами на Ниж. Ведугу и одной дивизией вдоль правого берега Дона на Латное.
Наиболее сложной была задача 13-й армии генерал-майора Н.П.Пухова. По решению командующего Брянским фронтом генерал-лейтенанта М.А.Рейтера она наносила удар в полосе между pеками Кшень и Олым. После прорыва обороны противника силами первого эшелона армия должна была развивать наступление на Касторное, где соединиться с войсками Воронежского фронта и совместно с ними завершить окружение воронежско-касторненской группировки противника. Второй эшелон армии получил задачу выдвинуться на р. Тим с целью создания здесь внешнего фронта окружения. Сложность задачи заключалась в наступлении на строившуюся несколько месяцев оборону немецких соединений, никак не разбавленных союзниками.
Всего для участия в операции из состава обоих фронтов привлекалось в общей сложности двадцать семь стрелковых дивизий, семь стрелковых бригад, два танковых корпуса, восемь отдельных танковых бригад, три отдельных танковых полка и два отдельных танковых батальона. Пассивность задач противника позволяла из этого количества сил и средств сосредоточить на избранных для нанесения ударов направлениях 72 % стрелковых войск, 90 % артиллерийских средств и все 100 % танковых войск. Операция в отличие от Острогожско-Россошанской была строго симметричной: для ударов на окружение со стороны обоих фронтов привлекались примерно равные силы и по одному танковому корпусу. Начало наступления командующими фронтами устанавливалось: для 40-й армии — 24 января, для 60-й армии — 25 января, для 38-й и 13-й армий — 26 января 1943 г.
Так же, как и в ходе Острогожско-Россошанской операции, была произведена перегруппировка сил и средств между армиями для создания ударных группировок. В частности, в 13-ю армию были рокированы из 48-й армии 81, 211-я и 280-я стрелковые дивизии, 193-й отдельный танковый полк. Кроме внутрифронтовых перегруппировок, производились значительные перегруппировки внутри армий. Например, в 60-й армии с правого фланга на левый перебрасывались две стрелковые дивизии и одна стрелковая бригада. Такие же примерно перегруппировки производились и в других армиях.
Перегруппировка многих соединений производилась на большие расстояния. Например, 5-я артиллерийская дивизия Брянского фронта совершала марш на расстояние до 200 км. 14-я танковая бригада Воронежского фронта — 160 км, стрелковые соединения 60-й армии — 60–80 км. Большинство соединений было перегруппировано с 16 по 23 января. Войска 40-й армии перегруппировку осуществили в период с 19 по 23 января.
В результате произведенных перегруппировок войска Брянского и Воронежского фронтов к началу операции заняли следующее положение.
В 13-й армии, действовавшей в 46-километровой полосе, ударная группировка была сосредоточена на 18-километровом фронте между pp. Кшень и Олым. В первом эшелоне ударной группировки находились четыре стрелковые дивизии (148, 307, 132-я и 8-я), одна танковая бригада и три танковых полка; во втором эшелоне — три стрелковые дивизии (280, 211-я и 81-я) и 129-я танковая бригада. Всего в армии Н.П.Пухова для непосредственной поддержки пехоты выделялись 167 танков. В полосе 13-й армии был также сосредоточен резерв фронта — 6-я гвардейская и 137-я стрелковые дивизии и 19-й танковый корпус (81 танк).
