3-я танковая армия была своего рода «тузом в рукаве» советского командования. После Козельской операции августа 1942 г. она приводила себя в порядок, ремонтировала технику, вела боевую подготовку. Когда под Сталинградом гремели залпы «Урана», а под Ржевом — «Марса», 3-я танковая армия находилась в резерве и могла быть использована для дальнейшего развития операций на московском или сталинградском направлениях. «Марс» увяз в позиционных боях, «Уран» привел к впечатляющему успеху. Армия П.С.Рыбалко получила приказ на перегруппировку на юг. Погрузка людей и техники проходила с 28 декабря 1942 г. по 5 января 1943 г. Армия выгружалась на только что освобожденных станциях Бутурлиновка, Таловая, Верхний Мамон и Калач под ударами с воздуха. 28 декабря на станции Бутурлиновка в результате бомбардировки погиб командир 12-го танкового корпуса М.И.Чесноков. После выгрузки из эшелонов части армии П.С.Рыбалко 130—210 км ночными маршами выходили в районы сосредоточения. Танковая армия была выдвинута на слабо прикрытый фланг 8-й итальянской армии, в полосу 6-й армии Юго-Западного фронта на участок между Новой Калитвой и Кантемировкой. Вскоре этот участок был включен в полосу Воронежского фронта.

По своему замыслу Острогожско-Россошанская операция представляла собой классические «канны» — фланговые удары по сходящимся направлениям с целью окружения противостоящего противника. Северная ударная группировка использовала нависающее положение вследствие изгиба русла Дона, а южная — открывшийся вследствие «Малого Сатурна» фланг противника. Северную и южную ударные группировки составляли соответственно 40-я армия К.С.Москаленко и 3-я танковая армия. Также был спланирован вспомогательный удар силами 18-го отдельного стрелкового корпуса П.М.Зыкова, дробящий окружаемую группировку противника на несколько разрозненных частей. Аналогично операциям на фланге Сталинграда, наступления предполагалось начать с плацдармов, захваченных на правом берегу Дона. На так называемом сторожевском плацдарме к югу от Воронежа и непосредственно за ним на левом берегу Дона сосредоточивались основные силы 40-й армии в составе пяти стрелковых дивизий, одной стрелковой бригады и 4-го танкового корпуса со средствами усиления. Она должна была своими основными силами прорвать оборону противника на 10-километровом участке и развить удары на Алексеевку и Острогожск. На щучьенском плацдарме сосредоточивались основные силы 18-го отдельного стрелкового корпуса в составе трех стрелковых дивизий и одной стрелковой бригады. Они должны были прорвать оборону противника на 8-километровом участке и развивать наступление, нанося главный удар на Карпенково и одновременно расширяя прорыв в стороны флангов наступлением на Острогожск и Сагуны. Образование внешнего фронта окружения на этом направлении и обеспечение фланга 40-й армии со стороны воронежско-касторненской группировки противника предполагалось осуществить силами 4-го танкового корпуса.

С самого начала в замысел наступления была заложена асимметричность. Наиболее сильный удар предполагалось нанести со стороны слабо обеспеченного южного фланга окружаемой группировки противника силами 3-я танковой армии. Она должна была прорвать оборону противника на 16-километровом участке и развивать охватывающие удары из района северо-западнее Кантемировки в северном и северо-западном направлениях навстречу пехоте 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса. К исходу четвертого дня операции предполагалось соединиться с ними в районах Каменки, Острогожска и Алексеевки. Единственное механизированное соединение северной ударной группировки — 4-й танковый корпус — предполагалось использовать не для удара на замыкание кольца, а для образования внешнего фронта окружения и парирования возможных контрударов противника.

Образование внешнего фронта окружения и обеспечение операции с юга и запада возлагалось на 7-й кавалерийский корпус, усиленный одной отдельной танковой и тремя лыжно-стрелковыми бригадами. Этот корпус должен был войти в прорыв на левом фланге 3-й танковой армии, наступать в общем направлении на Ровеньки, Валуйки и к исходу четвертого дня операции перерезать железную дорогу Касторное — Купянск на участке Валуйки, Уразово.

Противником войск Воронежского фронта в предстоящем наступлении были части 8-й итальянской и 2-й венгерских армий с включением в их состав немецких соединений. Целостность правого фланга 8-й итальянской армии командование группы армий «Б» восстанавливало с помощью сбора остатков разгромленных «Малым Сатурном» итальянских дивизий и перебрасываемых с других участков немецких войск под управлением XXIV танкового корпуса. Всего Воронежскому фронту в составе 23 стрелковых дивизий (средней укомплектованности 7 тыс. человек) и пяти стрелковым бригадам противостояли 28 соединений противника, преимущественно потрепанных в боях или легких. Венгерские пехотные дивизии по немецкой классификации были легкими, т.к. состояли из двух пехотных полков. Итальянские дивизии альпийского корпуса также были легкими, двухполковыми. Таким образом, по пехоте силы противников были примерно равными. Преимущество советским войскам давала техника в лице почти девяти сотен танков при крайне слабых противотанковых возможностях итальянских и венгерских дивизий. Но главным козырем было владение стратегической инициативой.

Вообще нужно сказать, что Острогожско-Россошанская и последовавшая за ней Воронежско-Касторненская операция достаточно ярко демонстрируют важность владения стратегической инициативой. Пассивные, оборонительные задачи группы армий «Б» на рубеже Дона позволяли советским войскам производить дерзкие перегруппировки войск, значительно растягивая пассивные участки. К концу декабря 1942 г. войска Воронежского фронта не обладали скольнибудь заметным преимуществом в численности над противником. Для взлома обороны противника нужно было переуплотнить войска по занимаемому ими фронту с созданием ударных кулаков на участках прорыва. Соответственно для обороны на рубеже р. Дон севернее и южнее сторожевского плацдарма 40-й армии, на участках общим протяжением в 75 км были оставлены различные подразделения численностью всего около восьми батальонов. Такая же картина наблюдалась в полосе 18-го стрелкового корпуса. Для обороны рубежа р. Дон севернее и южнее щучьенского плацдарма на участках общим протяжением в 156 км были оставлены отдельные подразделения общей численностью не более двенадцати батальонов и 270-я стрелковая дивизия. Причем последняя помимо обороны порученного ей участка должна была большинством своих сил с утра третьего дня операции прорвать оборону противника южнее Павловска.

Перегруппировка охватывала все армии фронта и должна была проводиться в ограниченные сроки и на значительные расстояния. Почти половина войск фронта приходили в движение и сменяли позиции. До 40% соединений и частей Воронежского фронта должны были совершить марш на расстояние от 100 до 175 км. Перегруппировка начиналась 26 декабря 1942 г. и заканчивалась 4 января 1943 г. Суточный темп марша планировался до 30 км в сутки. В состав 40-й армии рокировались 340-я стрелковая дивизия и 150-я танковая бригада из 38-й армии, 305-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада из состава 60-й армии. Соответственно 18-й стрелковый корпус получил 161-ю стрелковую дивизию из 38-й армии, 104-я стрелковая бригада выводилась из 38-й армии в резерв фронта.