Командование 3-го Украинского фронта определило направления действий войск, конкретные сроки достижения намеченных рубежей, организовало взаимодействие сухопутных войск, авиации и Черноморского флота.
На 5 сентября фронт имел около 258 тыс. человек, 5583 орудия и миномета, 508 танков и 1026 боевых самолетов. Для действий в южной части Добруджи в направлении Айтос, Бургас сосредоточивались все его силы (28 стрелковых дивизий, 2 механизированных корпуса и 17-я воздушная армия). Для поддержки наступления на этом направлении привлекались также три штурмовые авиадивизии 2-го Украинского фронта. Задача 17-й воздушной армии состояла в том, чтобы обеспечить эффективную поддержку наступающих сухопутных войск.
Черноморский флот должен был блокировать Варну и Бургас, с подходом подвижных войск фронта высадить морской десант и совместно с ними овладеть этими портами. Дунайская военная флотилия, переданная 30 августа в оперативное подчинение командующего 3-м Украинским фронтом, должна была захватить на Дунае в районе порта Русе все плавсредства противника, прикрыть действия сухопутных войск от возможных ударов его кораблей и во взаимодействии с 46-й армией овладеть портом Русе.
Планируя операцию по овладению приморской частью Болгарии, советское командование считало, что центральная и западная части страны, включая район Софии, могут быть освобождены повстанческими войсками и революционными рабочими отрядами.
Отсутствие заранее подготовленной обороны, невысокая плотность противостоявших болгарских войск и почти полная уверенность советского командования в том, что они не окажут сопротивления, позволили не планировать артиллерийскую и авиационную подготовку наступления. Было решено начать наступление выдвижением в колоннах передовых подвижных отрядов (по одному от каждого стрелкового корпуса первого эшелона), вслед за ними через час выдвинуть авангардные полки дивизий первого эшелона корпусов, а затем и главные силы всех трех общевойсковых армий.
Командование фронта придавало особое значение быстрому освобождению Варны и Бургаса, так как это лишало противника последних баз на Черном море и неизбежно вело к гибели его флота. Решительное наступление войск 3-го Украинского фронта должно было вызвать панику и растерянность среди правящих кругов Болгарии и явиться сигналом для начала народного вооруженного восстания.
Соотношение политических сил в стране резко изменилось в пользу Отечественного фронта и БРП. Выжидательная позиция, занятая Красной армией на границах Болгарии 6-7 сентября в условиях уже объявленной войны, создавала для болгарских коммунистов наиболее благоприятную ситуацию для захвата власти. При этом СССР формально не нарушал договоренностей с западными союзниками о невмешательстве во внутренние дела других стран. Важно было, чтобы правительство Отечественного фронта пришло к власти самостоятельно, без прямой поддержки со стороны советских войск.
