Всего три советских фронта насчитывали 10 общевойсковых, танковую и 4 воздушные армии, 5 танковых, 2 механизированных и 3 кавалерийских корпуса, 34 отдельные бригады (в том числе 15 танковых), 9 укрепленных районов и 5 отдельных танковых полков. В общей сложности в эту стратегическую группировку советских войск входило 66 стрелковых и 8 кавалерийских дивизий, 198 артиллерийских и минометных полков (из них 129 артиллерийских и минометных полков РВГК). С учетом отдельных стрелковых и мотострелковых бригад количество расчетных дивизий достигало 74,5.

Оценив состояние своих войск и противника, Ставка ВГК и разработала план контрнаступательной операции. Основная идея контрнаступления, которое планировалось как единая стратегическая операция группы фронтов, заключалась в двухстороннем охвате сталинградской группировки противника с последующим ее окружением и уничтожением. Поскольку основная часть вражеских войск располагалась линейно, да к тому же еще в одной неглубокой полосе тактической зоны обороны, было решено с помощью быстрого и мощного удара разгромить их в ней до того, как противник сумеет высвободить силы с других участков фронта.

Проведению контрнаступательной операции благоприятствовала выгодная для советской стороны конфигурация линии фронта, когда положение противника позволяло нанести удары по флангам и в тыл его главной группировки. Предполагалось сначала прорвать оборону на флангах, северо-западнее и южнее Сталинграда, а затем развить успех подвижными соединениями, ведя наступление по сходящимся направлениям на Калач. Активные боевые действия намечались одновременно в полосе до 400 км. Ударные группировки, которым отводилась главная роль в окружении противника, должны были преодолеть расстояние 110–140 км с севера и до 90 км с юга, а потом, соединившись в районе Калач, Советский, создать два фронта окружения — внешний и внутренний. Вспомогательные удары планировались с плацдарма у Клетской и из района Качалинской в общем направлении на Вертячий с целью отсечения немецких войск, действовавших в малой излучине Дона (ЦАМО. Ф. 19а, оп. 2045, д. 7, л. 4657; Там же. Ф. 3, оп. 11 556, д. 10, л. 339; Там же. Ф. 229, оп. 590, д. 2, л. 29).

Вне всякого сомнения, план операции отличался как смелостью замысла, так и стратегическим размахом. Но для ее успешного проведения одного преимущества в соотношении сил и средств, как свидетельствовал опыт прошедших боев и операций, было явно недостаточно. Особенно если принять во внимание, что большая часть личного состава частей и соединений, главным образом из резерва Ставки ВГК, имела незначительный боевой опыт или такового не было вообще. Впрочем, и в тех соединениях, что уже принимали участие в боях, до 60 % составляло вновь прибывшее пополнение. В связи с этим результат операции во многом зависел не только от искусства командования, но и от тщательной боевой и морально-психологической подготовки личного состава.

13 ноября план контрнаступления под Сталинградом был утвержден Верховным Главнокомандующим. Поскольку первоначальные сроки перехода в контрнаступление (9—10 ноября) из-за незавершенности подготовительных мероприятий выдержать не удалось, 15 ноября И. Сталин поручил Г. К. Жукову и А. М. Василевскому определить их на месте по собственному усмотрению. Начало операции они определили для Юго-Западного и Донского фронтов — 19 ноября, для Сталинградского фронта — 20 ноября. Разница в сроках перехода в наступление объяснялась различием глубины задач Юго-Западного и Сталинградского фронтов, ударные группировки которых должны были одновременно выйти в район Калача и Советского (Сталинградская эпопея. — М.: Наука, 1969. — С. 88).

В соответствии с планом операции Юго-Западному фронту предстояло нанести главный удар с плацдармов в районах Серафимович и Клетской, силами двух армий (5-й танковой и 21-й) прорвать оборону противника, разгромить правофланговые соединения 3-й румынской армии и, развивая наступление в юго-восточном направлении, к исходу третьего дня выйти в район Калача и Советского, где и соединиться с войсками Сталинградского фронта, наносившими встречный удар. С целью обеспечения ударной группировки фронта с запада 1-я гвардейская армия частью сил должна была в то же время нанести удар в юго-западном направлении, выйти на рубеж рек Кривая и Чир и создать там внешний фронт окружения. Прикрытие и поддержка войск Юго-Западного фронта с воздуха возлагались на 17-ю и 2-ю воздушные армии. Кроме того, здесь же намечалось использовать авиацию дальнего действия.

Перед Сталинградским фронтом ставилась задача нанести главный удар из района Сарпинских озер силами трех армий (51, 57, 64-я), прорвать оборону 6-го румынского армейского корпуса и разгромить его. Затем, развивая наступление на северо-запад в общем направлении на Советский, к исходу второго дня операции соединиться здесь с войсками Юго-Западного фронта и завершить окружение сталинградской группировки противника. Чтобы обеспечить действия ударной группировки с юго-запада, фронт получил приказ частью сил наступать в направлении Абганерово, Котельниково с целью создания внешнего фронта окружения. Прикрытие и поддержка ударной группировки Сталинградского фронта с воздуха возлагались на 8-ю воздушную армию.

Донской фронт должен был нанести удары с плацдарма в районе Клетской силами 65-й армии и из района Качалинской — вдоль левого берега Дона — 24-й армии по сходящимся направлениям на Вертячий с задачей окружить и уничтожить группировку противника, оборонявшуюся в малой излучине Дона. Войска фронта поддерживала 16-я воздушная армия.

Решения, принятые командующими войсками фронтов, соответствовали тем задачам, которые поставила Ставка ВГК. Однако сложившаяся к тому времени обстановка заставила их внести некоторые изменения в первоначально намеченные направления главных ударов, уточнить участки прорыва и состав ударных группировок армий. С учетом данных разведки о состоянии обороны противника оперативное построение фронтов было одноэшелонным, а выделенные резервы — незначительными. В своих решениях командующие войсками фронтов основной упор сделали на высокие темпы прорыва обороны противника и развитие стремительного наступления в ее оперативной глубине. Для этого силы и средства массировались на направлениях главных ударов, армиям придавались для усиления почти все подвижные соединения и основная масса артиллерии РВГК, участки прорыва назначались неширокими и были удалены друг от друга на 15–20 км.

Советскому командованию благодаря тщательной подготовке операции и хорошей маскировке удалось добиться стратегической внезапности и провести решительное массирование сил и средств на направлениях главных ударов фронтов. На участках прорыва Юго-Западного и Сталинградского фронтов, составлявших 9 % общей протяженности линии фронта, было сосредоточено 50 % и 66 % стрелковых дивизий соответственно, 85 % артиллерии усиления, 100 % гвардейских минометных частей, все танковые и кавалерийские корпуса. В результате, при общем преимуществе группы армий «Б» в силах и средствах, на участках прорыва фронтов было создано превосходство над противником: в людях — в 2–2,5 раза, в артиллерии и танках — в 3–5 и более раз.

Оперативное построение армий было в два эшелона, только 51-я и 57-я армии Сталинградского фронта имели построение в один эшелон. В пяти армиях из семи были созданы подвижные группы в составе двух танковых и кавалерийского корпусов. Во всех армиях, входивших в ударные группировки фронтов, создавались артиллерийские группы дальнего действия, зенитные артиллерийские группы и группы гвардейских минометных частей. В целом оперативное построение армий обеспечивало не только нанесение мощного первоначального удара, но и возможность наращивания усилий в ходе наступления.