Острогожско-Россошанская операция проводилась в целях разгрома основных сил группы армий «Б» (командующий – генерал-полковник М. Вейхс) и созданий условий для последующего наступления на харьковском направлении. В состав группы армий «Б» входили итальянская 8-я, венгерская 2-я армии и корпусная группа «Крамер» – всего около 270 тыс. человек, 2,6 тыс. орудий и минометов, более 300 танков и штурмовых орудий. С воздуха ее поддерживала авиация командования ВВС «Дон», а также часть сил 4-го воздушного флота и командования ВВС «Восток» – всего до 300 самолетов. Оборона противника носила очаговый характер и была развита в инженерном отношении лишь в тактической зоне. В оперативной глубине заблаговременно подготовленные рубежи отсутствовали.
К проведению операции привлекались главные силы Воронежского фронта (40-я, 3-я танковая, 2-я воздушная армии, 18-й отдельный стрелковый и 7-й кавалерийский корпуса) и 6-я армия Юго-Западного фронта. Они занимали оборону по левому берегу р. Дон от Костенков до Новой Калитвы, далее на юг восточнее Михайловки, восточнее Тишкова, удерживая на правом берегу, в районах 1-е Сторожевое и Щучье, два небольших плацдарма. Всего войска, участвовавшие в операции, насчитывали около 200 тыс. человек, до 3 тыс. орудий и минометов, 909 танков и 208 самолетов. Они уступали противнику в 1,3 раза по живой силе и в 1,5 раза по авиации, имели почти равное с ним количество орудий и минометов и в 3 раза больше танков. В результате решительного массирования сил и средств на направлениях главных ударов удалось создать превосходство над противником по пехоте в 2,3–3,7 раза, по танкам – в 1,3–3 и по артиллерии – в 4,5–8 раз.
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.