Армия имела задачу, наступая в 30-километровой полосе (от Пасеково до Ясиноватой), ударом главных сил из района северо-западнее Кантемировки прорвать на 10-километровом участке оборону 24-го танкового корпуса противника и развивать наступление в северо-западном направлении. К исходу четвертого дня наступления армия должна была танковыми корпусами выйти на рубеж Каменка, Алексеевка, где соединиться с войсками 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса, наступающих с северо-востока, окружить и уничтожить острогожско-россошанскую группировку противника, а 7-м кавалерийским корпусом развить успех в западном направлении, овладеть Валуйками и Уразово и перерезать железную дорогу Касторная — Купянск. Глубина задачи армии составляла 150 км, среднесуточный темп наступления танковых корпусов — 40 км, а стрелковых дивизий — 20 км[3].

Для поддержки боевых действий армии выделялись 227-я штурмовая и 205-я истребительная авиационные дивизии, 646-й и 715-й ночные авиационные полки (У-2) 2-й воздушной армии.

В течение 5 января командарм П. С. Рыбалко с командирами танковых корпусов, стрелковых дивизий, начальниками родов войск и офицерами штаба армии производил рекогносцировку местности. Командарм решил прорвать оборону противника тремя стрелковыми дивизиями и стрелковой бригадой, усиленной танками непосредственной поддержки и артиллерией, а танковые корпуса и кавалерийский корпус использовать для развития успеха. Учитывая, что в полосе наступления армии оборона противника была недостаточно развитой и ее глубина не превышала 4 км, танковые корпуса планировалось ввести в сражение после продвижения стрелковых дивизий на глубину до 3 км.

В центре наступали 180-я и 48-я гвардейская стрелковые дивизии, а на флангах — 37-я стрелковая бригада и 184-я стрелковая дивизия со средствами усиления. При этом 180-я дивизия получила на усиление 173-ю отдельную танковую бригаду, а 48-я гвардейская стрелковая дивизия — 97-ю танковую бригаду 12-го танкового корпуса.

12-й танковый корпус, усиленный 1172-м истребительно-противотанковым артиллерийским и 319-м зенитно-артиллерийским полками, а также 40-м инженерным батальоном, получил задачу войти в прорыв на стыке 48-й гвардейской и 180-й стрелковых дивизий, к исходу дня овладеть Россошью и Лизиновкой и в дальнейшем наступать на Каменку. 15-й танковый корпус, усиленный 368-м истребительно-противотанковым артиллерийским полком, 71-м зенитно-артиллерийским полком и 47-м инженерным батальоном, должен был пойти в прорыв на стыке 48-й и 184-й дивизий, к исходу дня овладеть Екатериновкой и в дальнейшем наступать на Варваровку и Алексеевку.

В армейской артиллерийской группе (тогда она называлась «группа дальнего действия») находились 38-й и 129-й пушечные полки 8-й артиллерийской дивизии прорыва, а в минометной группе — 15-я и 16-я гвардейские минометные бригады.

К моменту прибытия танковой армии на станции разгрузки в ее составе (с приданными ей 173-й и 201-й танковыми бригадами) насчитывалось 493 танка, а в район Кантемировки к исходу 13 января прибыл только 371 танк. Остальные же 122 танка остались в пути из-за технических неисправностей. Большая часть из них была из 15-го танкового корпуса, и в первую очередь из 113-й и 195-й танковых бригад. Объяснялось это тем, что, планируя наступление Воронежского фронта, Ставка ВГК вначале решила усилить его только 12-м танковым корпусом армии, приказав командующему танковой армией полностью укомплектовать его личным составом и боевой техникой до штата за счет 15-го танкового корпуса. При этом было приказано все танки 12-го танкового корпуса, имевшие наименьший запас моточасов, передать 15-му танковому корпусу, а из 15-го корпуса передать 12-му танковому корпусу новые танки. Это и было сделано за счет 113-й и 195-й танковых бригад. Но вскоре было принято решение привлечь к проведению операции всю танковую армию. Поэтому перегруппировка 15-го танкового корпуса началась значительно позже 12-го танкового корпуса и он имел значительно меньше времени для подготовки к наступлению. Причем 113-я и 195-я танковые бригады прибыли в район сосредоточения только к исходу 12 января, имея в строю по 10–12 танков, остальные стояли в пути из-за технических неисправностей. По приказу командующего армией все исправные танки этих бригад были переданы 88-й танковой бригаде корпуса, а бригады выведены в армейский резерв с задачей организовать сбор и ремонт отставших танков. Таким образом, 15-й танковый корпус вынужден был начинать боевые действия без двух танковых бригад, имея в строю только 74 танка. Из-за задержки перегруппировки тылов не хватало горючего и боеприпасов.

В течение 7–13 января во всех войсковых звеньях шла работа по подготовке к наступлению. 8 января стрелковые дивизии армии приступили к разведке боем обороны противника, выделив для этого по одному усиленному стрелковому батальону. Для достижения скрытности наступления им была присвоена нумерация батальонов оборонявшейся здесь 350-й стрелковой дивизии 6-й армии, которая прикрывала сосредоточение танковой армии.

К исходу 13 января войска армии заняли исходное положение для наступления и были готовы к нанесению удара по врагу. К этому времени армия имела в строю 371 танк (с 201-й танковой бригадой, приданной 7-му кавалерийскому корпусу), 1588 орудий и минометов (без зенитной артиллерии), из них 355 противотанковых орудий калибра 45 мм, 47 установок РС БМ-8 и БМ-13[4]. С целью создания необходимых артиллерийских плотностей для артиллерийской подготовки привлекалась и противотанковая артиллерия.

Другой особенностью применения танков в этой операции было то, что для непосредственной поддержки пехоты стрелковым соединениям первого эшелона были приданы 7 отдельных танковых бригад и танковый полк. Это позволило создать тактические плотности в 10–15 танков на 1 км фронта, что давало возможность нанести сильный удар по противнику. Причем танковые бригады не распределялись по стрелковым полкам и батальонам, а использовались централизованно. Танковые корпуса З-й танковой армии намечалось ввести в сражение в первый же день для завершения прорыва главной полосы обороны, а в последующем они должны были развивать наступление с целью окружения вражеской группировки.

Авиацию 2-й воздушной армии (командующий — генерал К. Н. Смирнов) планировалось использовать двумя группами по направлениям. Северная группа поддерживала боевые действия 40-й армии и 18-го отдельного стрелкового корпуса, а южная — наступление З-й танковой армии и 7-го кавалерийского корпуса. Задачи авиации — поддержка пехоты и танков при прорыве ими обороны, прикрытие подвижных войск, нанесение ударов по резервам врага, его аэродромам и железным дорогам.

В отношении достижения внезапности наступления А. М. Василевский впоследствии вспоминал: «Мы разработали и провели в жизнь целую систему мероприятий по маскировке и сохранению в тайне всех перегруппировок войск и подготовительных работ. Уделено было также большое внимание мероприятиям по дезинформации противника». Проводились ложные перегруппировки войск, скрытное размещение макетов техники, расчистка дорог от снежных заносов на второстепенных направлениях. В полосах 38-й и 60-й армий имитировалось сосредоточение артиллерии путем оборудования огневых позиций, пристрелки отдельных орудий и т. д. Правда, скрытное развертывание ударных группировок осложнялось ограниченной площадью плацдармов, с которых переходили в наступление 40-я армия и 18-й отдельный стрелковый корпус. Поэтому почти все соединения днем двигались по тем дорогам, что выводили к пассивным участкам фронта, а затем, уже в ночное время, — в действительные районные сосредоточения.