По замыслу Острогожско-Россошанской операции предусматривалось нанесение трех ударов по сходящимся направлениям. Главные удары наносили: по центру группы армий «Б» (венгерская 2-я армия) со сторожевского плацдарма – 40-я армия; по центру итальянской 8-й армии из района южнее Новой Калитвы – 3-я танковая армия. Она должна была прорвать оборону противника и главными силами развить успех в северо-западном направлении. К исходу четвертого дня наступления армии предстояло выйти на рубеж Каменка, Алексеевка, соединиться с 40-й армией и 18-м отдельным стрелковым корпусом и окружить острогожско-россошанскую группировку противника. Для быстрейшей ликвидации окруженной группировки противника 18-й отдельный стрелковый корпус наносил рассекающий удар с щучьинского плацдарма в общем направлении на Карпенково. С целью связать противника в районе Воронежа войска 60-й армии должны были нанести отвлекающий удар с плацдарма из района Сторожевое-1 на север в направлении Борисово, Гремячье.
Действия войск Воронежского фронта (командующий – генерал-лейтенант Ф.И. Голиков) с юга обеспечивала 6-я армия Юго-Западного фронта, наступавшая из района юго-западнее Кантемировки в общем направлении на Покровское (125 км западнее Кантемировки). Одновременно с окружением противника часть сил 40-й армии и 7-й кавалерийский корпус, усиленный 201-й отдельной танковой бригадой, должны были выдвинуться к р. Оскол и образовать внешний фронт окружения.
Оперативное построение войск Воронежского фронта и 6-й армии было в один эшелон с выделением резервов. Оперативное построение всех трех ударных группировок было двухэшелонным. По решению командующего 3-й танковой армией генерала П.С. Рыбалко в первый эшелон были включены 37-я отдельная стрелковая бригада, 48-я гвардейская, 180-я и 184-я стрелковые дивизии, 97-я танковая бригада 12-го танкового корпуса, 173-я и 179-я отдельные танковые бригады. Их действия поддерживала артиллерийская группа в составе 39, 389 и 390-го отдельных гвардейских минометных дивизионов, 62-го гвардейского минометного полка, 135, 265 и 306-го гаубичных артиллерийских полков. Во втором эшелоне (эшелон развития прорыва) находились: 15-й танковый корпус (без двух танковых бригад) с приданными ему 368-м истребительно-противотанковым артиллерийским полком и 47-м отдельным инженерным батальоном; 12-й танковый корпус с приданными ему 1172-м истребительно-противотанковым артиллерийским полком и 46-м отдельным инженерным батальоном. Резерв командарма составляли 111-я стрелковая дивизия, 113-я и 195-я танковые бригады 15-го танкового корпуса, прибытие которых задерживалось.
При подготовке к операции особое внимание было уделено огневому обеспечению войск. На участках прорыва плотность артиллерии составляла в 40-й армии 150–170 стволов на 1 км фронта, а в полосе 18-го стрелкового корпуса и 3-й танковой армии – по 120–130 стволов[80]. По данным Д.В. Шеина, на участке прорыва 3-й танковой армии шириной 16 км было сосредоточено 556 минометов (без 50-мм минометов), 682 орудия и 287 реактивных установок, что в среднем составляло 77,3 орудия и миномета на 1 км фронта.
Темп операции планировался в 17–20 км в сутки для стрелковых и 40–50 км в сутки для танковых частей. Ввод эшелона развития прорыва в сражение предусматривался после прорыва обороны противника соединениями первого эшелона на глубину 3 км.
В ходе подготовки к операции была разработана и проведена в жизнь система мер по маскировке и сохранению в тайне всех перегруппировок войск, по дезинформации противника и организации управления войсками. С этой целью по распоряжению штаба Воронежского фронта 40-я армия должна была в период с 7 по 20 декабря 1942 г. демонстрировать сосредоточение войск и подготовку к переходу в наступление со сторожевского плацдарма в направлении Коротояка и из района железнодорожной станции Свобода. Последующие события показали, что противник действительно был введен в заблуждение.
Особенностью Острогожско-Россошанской операции являлось то, что вместо метода последовательного выполнения задач (прорыв обороны – окружение противника – дробление окруженной группировки на части – уничтожение ее по частям) планировалось окружение и уничтожение противника как одновременное действие. При этом уничтожение намечалось проводить, не дожидаясь полного окружения и создания внешнего фронта. Другой особенностью операции было то, что основные ударные группировки войск Воронежского фронта действовали в совершенно разных условиях. Войскам 40-й армии в начале операции предстояло совершить фронтальный прорыв хорошо развитой обороны противника. Перед соединениями 3-й танковой армии находился противник, поспешно перешедший к обороне. По сути дела, здесь создались условия для стремительного наступления на Россошь и Алексеевку. «Общим же для всех трех наших ударных группировок являлось то, что на первом этапе операции они действовали на узком фронте, – вспоминал генерал армии М.И. Казаков. – 40-я армия прорывала оборону противника с плацдарма в 13 километров. 18-й стрелковый корпус имел фронт прорыва восемь километров. А 3-я танковая армия наносила удар с рубежа в 12–13 километров. При этом каждая из группировок была отделена от другой значительным расстоянием: участок прорыва 18-го стрелкового корпуса находился в 50 километрах от участка прорыва 40-й армии и в 130 километрах от района действий 3-й танковой армии»
