Переброска 3-й танковой армии из района Тулы в район Козельска проходила комбинированным порядком. С 15 по 19 августа по железной дороге в 75 эшелонах перевозилась тяжелая техника, главным образом танковые бригады. Моторесурс танков необходимо было беречь, и поэтому командование стремилось сократить перемещения танковых частей своим ходом. Автотранспорт, моторизованные и мотоциклетные части армии передвигались походным порядком, пройдя расстояние 120 км в течение 4 суток. К началу операции 3-я танковая армия была усилена еще одним подвижным соединением — 3-м танковым корпусом Д.К.Мостовенко.
Выдвижение частей 3 танковой армии из района выгрузки в исходный район для наступления (25–30 км) было закончено к 21 августа 1942 г. При этом необходимо отметить, что в условиях, когда основные силы немецких ВВС задействованы на юге, противодействие перевозкам армии П.Л.Романенко было слабым. В отличие от армии А.И.Лизюкова, попавшей в июле под мощные удары с воздуха силами VIII авиакорпуса, районы выгрузки 3-й танковой армии подвергались атакам авиации лишь в единичных случаях. Однако выход 3-й танковой армии на новое операционное направление был вскрыт средствами разведки противника.
Наступление 3-й танковой армии предполагалось начать из полосы 61-й армии П.А.Белова. Смена частей в центре построения 61-й армии двумя стрелковыми дивизиями 3-й танковой армии, прорывающими оборону противника, была произведена в ночь с 20 на 21 августа.
Перешедшие 20 августа к обороне немецкие танковые и пехотные дивизии находились в одноэшелонном построении, с танковыми дивизиями в первой линии. В глубине обороны отмечалась только 25-я моторизованная дивизия, выполнявшая роль подвижного резерва. До 22 августа немецким войскам на флангах вбитого в оборону советских войск клина удалось создать полевую оборону с узлами сопротивления и минными полями. На переднем крае обороны имелись окопы полного профиля и отдельные блиндажи с легким перекрытием. В ходе боев оборона непрерывно совершенствовалась. К 29 августа бои шли уже на довольно развитой системе обороны с широкой сетью ходов сообщения, проволочными заграждениями, блиндажами, а в отдельных местах и с ДЗОТами.
Советский план операции против LIII армейского корпуса представлял собой асимметричные «канны» с сильным левым крылом (3-я танковая армия) и более слабым правым (16-я армия). К моменту перехода в наступление 16-я армия имела в своем составе девять стрелковых, три кавалерийские дивизии, четыре отдельные стрелковые бригады, семь танковых бригад. Однако из всего этого состава армии для нанесения главного удара выделялись только одна стрелковая дивизия, две кавалерийские дивизии 1-го гвардейского кавалерийского корпуса и 10-й танковый корпус, в котором оставалось только 50 танков. Остальные части и основные силы артиллерии действовали в центре и на правом фланге армии.
Согласно плану 3-я танковая армия, действуя первоначально в полосе шириной 16 км, должна была после прорыва обороны разойтись «веером», формируя собственно окружение, его внешний и внутренний фронты. Именно такой «веер» в несколько увеличенном масштабе впоследствии сформирует сталинградский «котел» для 6-й армии Паулюса.
Внутренний фронт окружения LIII корпуса должна была образовать группа Д.К.Мостовенко, созданная вокруг 3-го танкового корпуса. Она наносила удар на фронте 8 км, имея в первой линии не одну стрелковую дивизию, как намечалось по плану операции, а согласно решению генерала Мостовенко — две стрелковые дивизии и две танковые бригады.
Собственно окружение должны были формировать группы Копцова и Богданова, созданные в интересах 15-го и 12-го танковых корпусов соответственно. Группа Копцова, имея в первом эшелоне одну стрелковую дивизию, наносила удар на фронте 2 км. Группа Богданова (12-й танковый корпус) имела такое же построение, как группа Копцова. Обе группы должны были соединиться с войсками 16-й армии и тем самым замкнуть окружение. Предполагалось, что оборона противника будет прорвана пехотой, а 12-й и 15-й танковые корпуса будут двигаться во втором эшелоне до форсирования пехотой реки Вытебеть. После этого они должны были войти в прорыв и развивать успех, завершая окружение и уничтожение противника.
