Германскому командованию не удалось создать сильно укрепленные полосы и рубежи на всех направлениях. На северном участке выступа, который оборудовался в течение шести месяцев, имелось большое количество опорных пунктов, соединенных между собой траншеями. Передний край прикрывали проволочные заграждения и минные поля. Главная полоса обороны была 4–8 км глубиной. Южный участок выступа был подготовлен слабее. К обороне здесь были приспособлены только населенные пункты, узлы дорог и отдельные высоты. В глубине, по реке Олым, железной дороге Касторное — Старый Оскол и по берегам рек Тим и Оскол, готовились промежуточные рубежи.
Советское командование планировало привлечь к операции войска правого крыла Воронежского и левого крыла Брянского фронтов: 4 общевойсковые армии, всего 27 стрелковых дивизий, 2 танковых корпуса, 7 стрелковых и 8 танковых бригад. Их поддерживали 2 воздушные армии. Общая численность группировки — около 250 тыс. человек, более 4000 орудий и минометов, свыше 700 танков и 527 самолетов.
Исходя из соотношения сил и средств сторон, их оперативного положения и состояния обороны противника, замыслом операции предусматривалось ударом по сходящимся на Касторное направлениям окружить и разгромить основную группировку 2-й немецкой полевой армии и освободить важный в оперативном отношении район Воронеж, Касторное. Для выполнения этой задачи привлекались 13-я армия Брянского и 40-я армия Воронежского фронтов. Они же выдвижением вторых эшелонов на реке Тим создавали и внешний фронт окружения. Вспомогательные удары, имевшие целью рассечение окруженной группировки, должны были нанести 38-я и 60-я армии Воронежского фронта.
Наступление планировалось начать в разное время: для 40-й армии — 24 января, для 60-й — 25, а для 38-й и 13-й — 26 января. Это было связано с тем, что южной группировке не надо было прорывать укрепленные позиции противника, а 40-й армии при ее наступлении на Касторное требовалось преодолеть расстояние почти в два раза большее, чем наносившей в этом же направлении удар 13-й армии.
Для активизации действий 60-й армии она получила от 40-й армии 22-километровый участок фронта на правом берегу Дона от села Костенки до населенного пункта Семидесятское. Вместе с ним в состав 60-й армии были переданы и находившиеся на этом рубеже несколько соединений 40-й армии. Это были 141-я стрелковая и 10-я артиллерийская дивизии, 253-я стрелковая, 86-я (5 КВ и 6 Т-34 на 16.01.1943 года) и 150-я танковые бригады (7 танков Т-34 на 24.01.1943 года) и переданная из резерва фронта 322-я стрелковая дивизия. В свою очередь, состав 40-й армии был пополнен 183, 309-й стрелковыми дивизиями и 129-й стрелковой бригадой. Кроме того, наконец-то прибыл поступивший в оперативное подчинение 40-й армии 4-й танковый корпус генерал-майора А. Г. Кравченко.
На направлениях ударов армий было сосредоточено 72 % стрелковых войск, 90 % артиллерийских средств и все имевшиеся танковые соединения. На северном участке прорыва шириной в 18 км в первом эшелоне 13-й армии развертывались четыре стрелковые дивизии, 118-я танковая бригада и три танковых полка: 42, 43, 193-й, во втором эшелоне — три стрелковые дивизии и 129-я танковая бригада. 118-я танковая бригада (на 26 января имела 7 КВ, 21 Т-34, 18 Т-70) придавалась 307-й стрелковой дивизии, 42-й танковый полк (на 26 января имел 15 Т-34, 10 Т-70) — 148-й стрелковой дивизии, 43-й танковый полк — 8-й стрелковой дивизии, 193-й танковый полк (5 Т-34) — 132-й стрелковой дивизии. Рядом находился резерв фронта — две стрелковые дивизии и танковый корпус. Это позволило добиться превосходства в силах и средствах над противником по личному составу в 4,7 раза, а по артиллерии — в 9 раз.
В полосе 40-й армии предполагалось продолжать наступление на широком фронте, концентрируя основные усилия на 30-километровом участке. В первом эшелоне планировалось использовать пять стрелковых дивизий, стрелковую и две танковые бригады, а также приданный армии 4-й танковый (впоследствии — 5-й гвардейский) корпус генерала А. Г. Кравченко. Соединения первого эшелона имели полосы наступления шириной от 6 до 12 км. Самыми узкими — 6 и 8 км — они были у 309-й и 107-й стрелковых дивизий, действовавших в центре оперативного построения армии. Это и было направление главного удара.
