Разведывательные данные показали, что колчаковцы не сумели завершить реорганизацию и пополнение понесших потери частей. Противостоящие 5-й армии группы противника имели двойное превосходство в кавалерии и уступали советским войскам почти в полтора раза по количеству штыков. Тухачевский также получил сведения, что Колчак требовал от командующего 3-й армии вести преследование красных частей кавалерией, перейдя главными силами к обороне.
Необходимо было не дать противнику зарыться в землю и привести в порядок войска. Поэтому на подготовку к наступательной операции отводилось не более двух недель. В первую очередь надо было укомплектовать сильно поредевшие в предыдущих боях части и соединения. В прифронтовой полосе была объявлена мобилизация.
«Сибирское крестьянство, — вспоминал Михаил Николаевич, — вынесшее на своих плечах все тяготы колчаковщины, охотно отзывалось на наш призыв и быстро вливалось в ряды наших частей… Все красноармейцы, комиссары и командиры проявили величайшую энергию. Наши партийные организации напрягали все свои силы для пополнения и вооружения армий. Вся эта работа была проведена с фантастической быстротой. Уже к 14 октября мы оказались способными перейти в новое наступление, причем уже не уступали, а превосходили по численности 3-ю белогвардейскую армию».
За счет пополнения была сформирована Степная бригада. Она вошла в 35-ю стрелковую дивизию, которой командовал 22-летний К. А. Нейман. По распоряжению Тухачевского была создана кавалерийская (с 20 ноября 13-я) дивизия. Ее возглавил Василий Данилович Соколовский, впоследствии Маршал Советского Союза. По указанию командующего фронтом в состав армии была передана 54-я (с 27 октября 59-я) стрелковая дивизия, которой командовал Ф. К. Калнин.
Одной из важнейших задач являлось создание сильной ударной группировки армии. Об этом 8 и 9 октября состоялись разговоры по прямому проводу Ольдерогге с Тухачевским. Командующий фронтом указал Тухачевскому на необходимость образовать более сосредоточенный ударный кулак, не растягивая главные силы на широком фронте. Михаил Николаевич доложил, что на направлении главного удара на участке в 25 километров будут действовать до 18 тысяч бойцов, чем обеспечивалось двойное превосходство над противником. Начало операции намечалось на утро 14 октября, чтобы упредить колчаковцев, которые также готовились к переходу в наступление, но только на сутки позже.
Тухачевский предусмотрел такое построение ударной группы армии, чтобы сила первоначального удара была максимальной и обеспечила стремительный прорыв обороны уже в первый день. Главные силы, 5-я, 26-я стрелковые и кавалерийская дивизии, были нацелены на стык Уральской и Степной групп противника и должны были окружить и разгромить наиболее боеспособную группу 3-й армии — Уральскую.
В начале операции предстояло форсировать Тобол. По указанию командарма в полосе шириной до 160 километров, от Звериноголовской до Белоозерского, инженерные части в короткий срок навели 24 переправы. В результате войска армии имели возможность форсировать Тобол одновременно на широком фронте.
В полночь 12 октября Тухачевский направил войскам приказ о переходе с рассветом 14 октября в наступление. Приказ требовал вести наступление с самой крайней энергией и дерзкой смелостью…
В указанный срок дивизии 5-й армии начали выдвижение на исходный рубеж. На участке 5-й стрелковой дивизии вел свой 43-й стрелковый полк Василий Иванович Чуйков. На левом фланге армии в красноармейской цепи 27-й стрелковой дивизии шел Родион Яковлевич Малиновский. Слева двигалась 30-я стрелковая дивизия 3-й армии, кавалерийским дивизионом которой командовал Константин Константинович Рокоссовский. Будущие Маршалы Советского Союза Чуйков, Малиновский и Рокоссовский получили хорошую боевую закалку в 5-й армии.
Утром 14 октября войска 5-й армии успешно форсировали Тобол и в ожесточенных боях
«Показания захваченных в плен офицеров, — писал впоследствии Тухачевский, — говорили о том, что на фронте противника паника и что значительная часть его обозов уже отходит на северо-восток, пересекая железную дорогу. С каждым днем создавалось все более определенное впечатление о том, что нанесенное противнику поражение у р. Тобол постепенно, под влиянием нашего неотступного наседания и преследования, превращается в полное разложение его боевых сил».
30 октября 35-я стрелковая дивизия, форсировав Ишим, после упорного боя освободила Петропавловск. В ночь на 5 ноября войска 3-й армии Восточного фронта заняли город Ишим. Белогвардейцы поспешно отходили к Омску.
Успех, достигнутый в Петропавловской операции, свидетельствовал о возросшем мастерстве Тухачевского как военачальника. Он стремился к нанесению ударов во фланг и в тыл противнику, к его окружению. Для ускорения продвижения войск широко использовались подводы. Артиллерия придавалась стрелковым частям и действовала в качестве артиллерии сопровождения пехоты.