После окончания формирования армия была включена в состав Московской зоны обороны и к 6—10 декабря сосредотачивалась в районе Химки, Мытищи, Одинцово, Павшино. Когда угроза столице миновала, армию было решено использовать для наступления с целью глубокого охвата северного фланга группы армий «Центр». 25 декабря 1941 г. 60–я армия была переименована в 3–ю ударную армию. В армию на тот момент включались 20, 21, 27, 31, 39, 42, 45, 48, 51 и 54–я стрелковые бригады. Наименование «ударная» было в своем роде присвоением гвардейского звания авансом, до вступления. Подобно гвардейским соединениям начальствующий состав ударной армии получал полуторный, а рядовой — двойной оклад содержания. Вторая участвовавшая в наступлении армия, 4–я ударная под командованием А. И. Еременко, была получена переименованием 27–й армии, сформированной в мае 1941 г. и участвовавшая в боевых действиях с начала войны. Армия получала свежесформированные 332, 358, 360 и 334–ю стрелковые дивизии, четыре лыжных батальона и два дивизиона PC. 332–я стрелковая дивизия формировалась в Иванове и участвовала в параде на Красной площади в ноябре 1941 г. 360–я стрелковая дивизия полковника А. Ф. Болотова формировалась в Оренбургской области, 334–я стрелковая дивизия полковника Н. М. Мищенко — в Казани.
Цели и задачи операции были определены директивой Ставки ВГК №005868 командованию Северо–Западного фронта от 18 декабря 1941 г.:
«Не позднее 26 декабря 1941 г. нанести удар силами не менее шести усиленных стр. дивизий из района Осташкова в общем направлении на Торопец, Велиж, Рудня, имея задачу во взаимодействии с войсками Калининского фронта отрезать пути отхода противнику и не дать ему возможности задержаться для обороны на заранее подготовленном рубеже оз. Отолово, Андреаполь, зап. берег р. Зап[адная] Двина, Ярцево. В дальнейшем ударом на Рудню отрезать Смоленск с запада» (Русский архив: Великая Отечественная: Ставка ВГК. Документы и материалы. 1942 г. Т. 5 (2). M.: TEPPA. 1997, с. 340).
Уже на следующий день начальник Генерального штаба Б. М. Шапошников перенес дату начала наступления с 24 декабря на 29—30 декабря 1941 г. Однако разреженность дорожной сети в направлении сосредоточения свежих соединений для 3–й и 4–й ударной армий заставила отложить операцию еще на неделю. Сосредоточение проводилось по одной железной дороге пропускной способностью всего 16 пар поездов в сутки. Для снижения нагрузки на железную дорогу часть перевозок пришлось проводить автомашинами.
Неразвитая дорожная сеть на длительное время станет настоящим бичом советских войск на этом направлении. Удержание 9–й армией Ржева и проходящей через него железной дороги на Великие Луки существенно затрудняла проведение наступательных операций против фланга группы армий «Центр».
В ходе подготовки к Торопецко–Холмской операции советское командование впервые столкнулось с проблемой недостатка коммуникаций севернее Волги. Четыре стрелковые дивизии (332, 358, 360 и 334–я) подвозились из района Москвы автотранспортом, а обозы этих дивизий и лыжные батальоны следовали своим ходом. По железной дороге перевозились все стрелковые бригады, артиллерийские и танковые части (два отдельных танковых батальона, 35 и 30 танков). Существенно осложнил подготовку к операции «генерал Мороз». Сильные морозы вынуждали делать частые остановки автоколонн для обогрева солдат, сидевших в неотапливаемых кузовах грузовиков. Почти непрерывные снегопады снижали скорость движения, а изношенность автомашин приводила к поломкам в пути и разрыву автоколонн. Усугублялось положение трудностями в снабжении горючим.
Вследствие всех этих причин сосредоточение войск затянулось, и вместо первоначально заданного срока 26 декабря было закончено только 7—8 января 1942 г. Некоторые части прибыли только 9 января, а отдельные подразделения и тыловые учреждения подходили и позднее, догоняя свои соединения уже в процессе наступления. Задержка сосредоточения войск привела к необходимости переносить сроки начала наступления с 5 января на 7, а затем и на 9 января.