Во исполнение указаний Сталина генерал армии Жуков вместе со своим штабом разработал план наступления, предусматривавший выполнение поставленных задач в два этапа.

На первом этапе планировалось с 22 по 26 февраля силами 22, 30 и 39-й армий Калининского фронта при поддержке авиации нанести поражение противнику в районе Оленино. Одновременно войскам 43, 49 и 50-й армий Западного фронта при поддержке двух авиадесантных бригад и авиации предстояло разгромить юхновскую группировку врага.

Второй этап включал наступление войск Калининского и Западного фронтов в период с 25 февраля по 3 марта. При этом для окружения и разгрома ржевско-вяземской группировки противника намечалось привлечь: от Калининского фронта — 22, 30, 39 и 31-ю армии и 11-й кавалерийский корпус; от Западного фронта — 20, 5, 33, 43, 50-ю армии и группу войск генерала Белова Западного фронта. Для их поддержки привлекалась вся авиация обоих фронтов. В результате наступления войска должны были выйти и закрепиться на рубеже Оленино, Олецкое, Булашево — частью сил 22 и 39-й армий и на рубеже Булашево, р. Днепр, Дорогобуж, Ельня, р. Десна до Ядрово — силами 50 (часть сил), 49 и 10-й армий. Соединения 31, 20, 5-й армий должны были начать наступление 18 февраля. С целью более успешного проведения операции Жуков требовал расчленить ржевско-вяземскую группировку противника на две части: ржевско-сычевскую с уничтожением ее силами 22, 30, 39, 31, 20 и 5-й армий и вяземскую с уничтожением ее силами 33, 43, 50-й армий и группами войск Белова и Соколова.

Разгром жиздринско-брянской группировки и овладение Брянском возлагались на 16-ю армию, усиленную 2-м гвардейским стрелковым корпусом, 97 и 116-й стрелковыми дивизиями. Войска армии имели задачу выйти на рубеж Ядрово, Высокое, Красное, Сосновка, где перейти к обороне. Войска 61-й армии, усиленные 149-й стрелковой дивизией, должны были во взаимодействии с 3-й армией Брянского фронта разгромить Болховскую группировку противника.

В целях недопущения подхода резервов противника по автомагистралям от Смоленска и Рославля и подачи питания ржевско-вяземско-юхновской группировке Жуков предусматривал привлечь авиацию Главного Командования, а для прикрытия войск Западного и Калининского фронтов — истребительную авиацию ПВО Москвы и Московской зоны. До начала наступления предписывалось доукомплектовать и довооружить соединения и части, провести перегруппировки войск с соблюдением скрытности, разработать мероприятия по дезинформации противника, разведке и всестороннему обеспечению войск.

План, разработанный под руководством Жукова, был в последующем дополнен рядом директив, направленных командующим Калининским и Брянским фронтами и армиями. 17 февраля Жуков требует от командующего Калининским фронтом произвести перегруппировку в полосе 30-й армии генерала Лелюшенко с целью выхода к окруженным частям 29-й армии генерала Швецова. В директиве Жукова высказывалось недовольство действиями командующего 30-й армией, которая за несколько дней «не продвинулась ни на один шаг, понеся значительные потери». В директиве № 1812 от 18 февраля командующим Калининским фронтом, 20 и 5-й армиями ставятся конкретные задачи по подготовке наступательной операции с целью разгрома оленинской и ржевско-сычевской группировок противника. Войска 22 и 30-й армий должны были нанести главный удар с рубежа Макарово, станция Чертолино в направлении Ржева, охватывая город с юга. На 39-ю армию возлагалась задача, закрепившись частью сил на рубеже Шентропаловка, Олецкое, Булашево, нанести удары своими флангами в направлении Сычевки с северо-запада и юго-запада. 11-й кавалерийский корпус полковника С. В. Соколова, прочно удерживая шоссе и железную дорогу западнее Вязьмы, должен был частью сил перехватить пути Вязьма, Сычевка. От 31-й армии требовалось сжимать кольцо окружения ржевской группы с севера и северо-востока. Войскам 20-й армии предстояло нанести удар в направлении Ржева, обходя Зубцов с юго-запада, а 5-й армии — нанести главный удар в направлении Сычевки, в обход Гжатска с юга.

21 февраля Жуков ставит командующим 10, 16 и 61-й армиями задачи по подготовке наступательной операции с целью разгрома брянской группировки противника. Войска 10-й армии должны были уничтожить противостоящего противника и, развивая наступление в общем направлении на Рославль, выйти и закрепиться на р. Десна. 16-й армии приказывалось нанести главный удар на своем правом фланге, разгромить жиздринскую группировку противника и выйти на рубеж Усохи, Сукремль, Жиздра, Зикеево, Мойлова. В дальнейшем развивать наступление в направлении Дятьково, Сельцо, охватывая Брянск с северо-запада. Для захвата рубежа на р. Десна требовалось выбросить вперед сильные передовые отряды. Войскам 61-й армии предстояло нанести главный удар на своем правом фланге, разгромить во взаимодействии с ударной группой Брянского фронта болховскую группировку противника и в дальнейшем наступать в направлении на Брянск.

Каковы же были планы противника? В то время как Ставка ВГК и Жуков готовились расправиться с его группировками в районах Ржева, Вязьмы, Юхнова и Брянска, Главное командование Сухопутных войск противника уже думало о том, какие действия следует предпринять на Востоке после завершения зимы. При этом оно было твердо уверено в том, что советское командование не сможет реализовать свои замыслы. В директиве Главного командования Сухопутных войск от 12 февраля отмечалось:

«I. Предварительное замечание:

зимние оборонительные бои на Востоке уже перешли, по-видимому, свою высшую точку. Благодаря непревзойденным усилиям и твердой воле войск вражеский штурм остановлен. Цель русского командования — смять наш фронт в ходе зимнего наступления и уничтожить наши боевые средства — не будет достигнута. Действия наших войск в ходе зимней битвы на Востоке войдут в историю войн как великий солдатский подвиг.

В ближайшие недели до начала таяния снегов речь пойдет о том, чтобы окончательно укрепить фронт, а на отдельных участках и улучшить его, уничтожить прорвавшиеся через фронт вражеские части, численность и боеспособность которых в результате ухудшающегося материального и технического обеспечения должна постепенно падать. Командование должно использовать любую возможность, чтобы навязать противнику свою тактику.

Одновременно следует принять все меры к тому, чтобы переждать распутицу, которая наступит после русской зимы…

IV. План ОКХ:

заключается в том, чтобы, ликвидировав вражеские вклинения, улучшив линию фронта (см. раздел V) и уничтожив просочившиеся в тыловые районы части противника, удержать фронт группы армий „Центр“, проведя лишь локальную перегруппировку сил, и обеспечить необходимые положения и перегруппировку соединений.

После завершения распутицы вновь должен быть восстановлен сплоченный фронт обороны.

V. Задачи группы армий на период распутицы:

…Задача ГА „Центр“ заключается в том, чтобы создать между районом Болхов и районом Юхнов постоянную позицию, а в остальном удержать существующий фронт.

Осуществляя наступление группировки из района действий 23 ак с целью овладения г. Осташков, необходимо во взаимодействии с ГА „Север“ перерезать тыловые коммуникации 3 и 4-й русских ударных армий и создать предпосылки к тому, чтобы эти группировки остались в районе Осташкова на время распутицы…»