В воронежском выступе оборонялось до 12 дивизий группы армий «Б». Из них на северном участке действовали 8 дивизий 2-й немецкой армии, а на южном — отошедшие 4 дивизии группы «Зиберт», из них две венгерские (6-я и 9-я). Все дивизии была развернуты в первом эшелоне. В районе образовавшегося выступа германское командование оперативных резервов не имело. Общая численность его войск на этом участке фронта составила 125 тыс. солдат и офицеров, 2100 орудий и минометов, 65 танков. Авиационная группировка насчитывала около 300 самолетов.
Германскому командованию не удалось создать сильно укрепленные полосы и рубежи на всех направлениях. На северном участке выступа, который оборудовался в течение шести месяцев, имелось большое количество опорных пунктов, соединенных между собой траншеями. Передний край прикрывали проволочные заграждения и минные поля. Главная полоса обороны была 4–8 км глубиной. Южный участок выступа был подготовлен слабее. К обороне здесь были приспособлены только населенные пункты, узлы дорог и отдельные высоты. В глубине, по реке Олым, железной дороге Касторное — Старый Оскол и по берегам рек Тим и Оскол, готовились промежуточные рубежи.
Советское командование планировало привлечь к операции войска правого крыла Воронежского и левого крыла Брянского фронтов: 4 общевойсковые армии, всего 27 стрелковых дивизий, 2 танковых корпуса, 7 стрелковых и 8 танковых бригад. Их поддерживали 2 воздушные армии. Общая численность группировки — около 250 тыс. человек, более 4000 орудий и минометов, свыше 700 танков и 527 самолетов.
Исходя из соотношения сил и средств сторон, их оперативного положения и состояния обороны противника, замыслом операции предусматривалось ударом по сходящимся на Касторное направлениям окружить и разгромить основную группировку 2-й немецкой полевой армии и освободить важный в оперативном отношении район Воронеж, Касторное. Для выполнения этой задачи привлекались 13-я армия Брянского и 40-я армия Воронежского фронтов. Они же выдвижением вторых эшелонов на реке Тим создавали и внешний фронт окружения. Вспомогательные удары, имевшие целью рассечение окруженной группировки, должны были нанести 38-я и 60-я армии Воронежского фронта.
Наступление планировалось начать в разное время: для 40-й армии — 24 января, для 60-й — 25, а для 38-й и 13-й — 26 января. Это было связано с тем, что южной группировке не надо было прорывать укрепленные позиции противника, а 40-й армии при ее наступлении на Касторное требовалось преодолеть расстояние почти в два раза большее, чем наносившей в этом же направлении удар 13-й армии.
