При подготовке операции предусматривалось немало сложных оперативных мероприятий. Прежде всего, это перегруппировка из глубины и вдоль фронта восьми стрелковых дивизий и шести танковых бригад, затем вывод в исходные районы наступления прибывших кавалерийского и трех танковых корпусов, пяти стрелковых дивизий, танковой и трех лыжно-стрелковых бригад, а также трех артиллерийских дивизий. При этом сосредоточение и перегруппировка проводились в сложных условиях: до 40 % соединений и частей совершали длительные ночные марши в пургу и метели, по труднопроходимым дорогам на расстояние от 100 до 175, а иногда — до 350 км. Из-за бесконечных поломок много танков не дошло до переднего края. Так, в 3-й танковой армии от станции выгрузки в назначенный район прибыло только 306 танков из 428. Отдельные соединения, как, например, 4-й танковый корпус, вообще не смогли подойти к началу боевых действий.
Учитывая, что наступление противника в полосе фронта было маловероятным, командование смело пошло на ослабление второстепенных направлений и за счет этого создало ударные группировки, которые по своим боевым возможностям могли взломать оборону и развить успех в оперативную глубину. Всего на трех участках прорыва шириной 34 км (12 % общего фронта наступления) было сконцентрировано 12 стрелковых дивизий и 2 танковых корпуса. Это позволило достичь превосходства над противником по личному составу в 2,7–3,2 раза, по артиллерии — в 5–8, по танкам — в 1,3–2 раза. Рубежи и позиции на второстепенных участках наступления занимали лишь отдельные части и подразделения. Плотность здесь составляла один батальон на 10 км фронта.
В предстоящем наступлении важная роль отводилась артиллерии. Массированным огнем она должна была обеспечить прорыв вражеской обороны на всю тактическую глубину, не допустить контратак противника на флангах, в особенности на правом, всячески содействовать разгрому его резервов, а затем рассечению и уничтожению всей группировки. В 40-й армии и 18-м отдельном стрелковом корпусе, в полосах наступления которых, по данным разведки, построение обороны противника было самым глубоким, создавались армейская и корпусная артиллерийские группы. На артиллерийскую подготовку атаки отводилось 120 минут. Большое количество орудий планировалось использовать для стрельбы прямой наводкой.
Решающая роль в проведении Острогожско-Россошанской наступательной операции отводилась 3-й танковой армии под командованием старого кавалериста генерала П. С. Рыбалко. Она состояла из 12-го (30, 97, 106 тбр; 13-я мотострелковая бригада, 13-я инженерно-минная рота, 6-й разведбатальон, 88-я и 93-я подвижные рембазы) и 15-го (88, 113, 195 тбр; 52-я мотострелковая бригада, 5-й разведбатальон, 71-я и 96-я подвижные рембазы) танковых корпусов и 39-го разведывательного бронебатальона. Перед наступлением дополнительно в состав армии были включены 7-й кавалерийский корпус с 201-й танковой бригадой, 180-я и 184-я стрелковые дивизии, 173-я отдельная танковая бригада, 8-я артиллерийская дивизия, 15-я и 16-я гвардейские минометные бригады, 97-й гвардейский минометный полк, 46-й и 47-й инженерные батальоны резерва Ставки ВГК.
