При оценке обстановки и выработке решения генерал армии Конев учитывал то обстоятельство, что местность в районе предстоящих боевых действий открытая, бедная растительностью, изрезанная большим количеством глубоких балок, идущих в основном перпендикулярно оси наступления войск фронта. Все это создавало определенные трудности для действий войск, особенно танков. К тому же противник умело использовал для обороны высоты и населенные пункты, зачастую очень крупные, которые также были оборудованы как узлы сопротивления. Противник имел возможность по долинам и балкам скрытно маневрировать своими резервами, а также укрывать свои артиллерийские и минометные позиции. Метеорологические условия были благоприятные. Сухая погода, небольшой мороз, незначительный снежный покров, достигавший всего 20 см, отсутствие снежных заносов, хорошие дороги – все это способствовало маневру войск и подвозу всех необходимых запасов. Только густая облачность и туманы ограничивали боевые действия авиации и затрудняли работу артиллерии.

При подготовке и планировании операции генерал армии Конев доложил в Ставку ВГК краткие соображения о замысле, который был вскоре одобрен. Основная задача фронта состояла в том, чтобы разбить кировоградскую группировку противника и отрезать пути ее отхода на запад. По решению командующего 2-м Украинским фронтом главная роль в операции отводилась войскам центра фронта (53, 5 и 7-я гвардейские, 5-я гвардейская танковая армии, 5-й гвардейский и 7-й механизированные корпуса). Их действия должна была поддерживать 5-я воздушная армия.

Замысел операции заключался в том, чтобы нанести удар по сходящимся направлениям с целью окружения и уничтожения кировоградской группировки противника. При этом 5-я гвардейская армия совместно с 7-м механизированным корпусом наносила удар с севера, а 7-я гвардейская армия с 5-й гвардейской танковой армией – с юга.

В соответствии с замыслом операции войскам были поставлены следующие задачи.

53-я армия (командующий генерал И. М. Манагаров) с 5-м гвардейским механизированным корпусом (командир генерал Б. М. Скворцов) во взаимодействии с 5-й гвардейской армией (командующий генерал А. С. Жадов) должна была прорвать оборону на участке Кучеровка, Коханиевка и развивать наступление в западном направлении на Владимировку. С выходом в район Владимировки требовалось перерезать пути отхода противника на запад. Правее наступала 4-я гвардейская армия в общем направлении на Ивангород, Златополь.

5-я гвардейская армия с 7-м механизированным корпусом (командир генерал Ф. Г. Катков) сосредоточивала силы на узком фронте и наносила главный удар пятью стрелковыми дивизиями на участке Коханиевка, Суботицы в общем направлении на Грузное, обходя Кировоград с северо-запада. К исходу второго дня операции она должна была овладеть Кировоградом и выйти на рубеж Обозоновка, разъезд Лелековка, Ново-Павловка.

7-й гвардейской армии (командующий генерал М. С. Шумилов) было приказано нанести главный удар в тесном взаимодействии с 5-й гвардейской танковой армией (командующий генерал П. А. Ротмистров) в общем направлении на Плавни, Покровское, в обход Кировограда с юго-запада. К исходу второго дня операции они должны были овладеть Кировоградом и выйти на рубеж Федоровка, Юрьевка, Ингуло-Каменка.

В операции, рассчитанной на стремительность удара, особо важная роль отводилась подвижным войскам: 7-му механизированному корпусу и 5-й гвардейской танковой армии. Они получили следующие задачи. 7-й механизированный корпус к исходу первого дня наступления должен был выйти в район Грузное, разъезд Лелековка, перерезать пути, идущие к городу с запада и северо-запада, и содействовать общевойсковым соединениям в овладении Кировоградом.

Ввод подвижной группы фронта (5-й гвардейской танковой армии) намечался в полосе 7-й гвардейской армии. Она не имела танков НПП, а плотность артиллерии не превышала 120 орудий и минометов на 1 км участка прорыва. Поэтому генерал армии Конев приказал для непосредственной поддержки пехоты выделить из состава 5-й гвардейской танковой армии 32-ю и 181-ю танковые бригады. Ввод танковой армии намечался сразу же после прорыва общевойсковыми соединениями первой позиции обороны противника, на что им отводилось два часа. Совместно с пехотой танковая армия должна была завершить прорыв тактической зоны обороны, а затем во взаимодействии с 7-й гвардейской армией наступать в направлении на Покровское, форсировать р. Ингул в районе Клинцы и к исходу первого дня наступления выйти в район Безводная, Федоровка, Юрьевка. В дальнейшем охватом Кировограда с юга и юго-запада во взаимодействии с 7-м механизированным корпусом, составлявшим подвижную группу 5-й гвардейской армии, окружить противника в городе и разгромить подходящие вражеские резервы.

5-я воздушная армия получила задачу содействовать войскам 5-й гвардейской, 7-й гвардейской и 5-й гвардейской танковой армий в прорыве обороны противника, окружении и уничтожении живой силы и техники, а также в захвате Кировограда. Ее бомбардировочный и штурмовой авиационные корпуса должны были в первый день наступления нанести удар по артиллерийским батареям, по скоплениям войск и техники противника в полосе главного удара, а в последующие дни наносить удары по очагам сопротивления и подходящим резервам противника.

Учитывая, что фронт не располагал сколько-нибудь значительным превосходством над противником, генерал армии Конев решил в полосе шириной 80 км (общий фронт наступления составлял около 230 км) сосредоточить 30 стрелковых дивизий, т. е. более 50% общего их числа, а также пять механизированных и танковых корпусов (не считая двух корпусов, находившихся в резерве фронта) – около 60% артиллерии. На участок в 55 км, что составило 25% полосы наступления, были нацелены 21 стрелковая дивизия, 4 танковых и механизированных корпуса, 40% имевшейся во фронте артиллерии. Благодаря этому 5-я гвардейская армия превосходила противника по пехоте в пять раз, по орудиям – в два и по минометам в пять раз, а 7-я гвардейская армия – по пехоте в три раза, по орудиям – в восемь и по минометам – в семь раз.

Операция готовилась в сжатые сроки. Это потребовало большого напряжения в деятельности командования, штабов и войск. Генерал армии Конев особое внимание уделил плановости подготовки операции, лично отработав календарный план работы основных отделов и управлений фронта. По его указанию штаб фронта под руководством генерала М. В. Захарова составил комплексный план контроля подготовки войск и штабов к предстоящим действиям.

При подготовке войск к операции тщательно изучался опыт, полученный в предшествующих боях. Особое внимание было уделено подготовке к боевым действиям передовых отрядов. С личным составом проводились занятия по теме «Бой ночью». Политическое управление фронта издало памятку-инструкцию по организации взаимодействия пехоты, артиллерии, танков и авиации на период атаки и боя в глубине вражеской обороны.

Немалое внимание уделялось проведению мероприятий по оперативной маскировке. Перегруппировка танков и артиллерии осуществлялась только ночью, тщательно укрывая и маскируя войска и технику в новом районе. С целью скрытия марша и района сосредоточения 5-й гвардейской танковой армии по указанию генерала армии Конева штаб армии определил районы ложного сосредоточения, разработал мероприятия по их созданию и «оживлению». В районе имитации устанавливалось около 150 макетов различных образцов техники, готовились ложные огневые позиции, склады горючего и боеприпасов. Как показали последующие события, демонстративные мероприятия по имитации направления главного удара фронта вполне себя оправдали.