В создавшейся обстановке командующие Воронежским и Брянским фронтами получили задачу на подготовку и проведение Воронежско-Касторненской операции, соображения по которой 18 января были представлены командованием Воронежского фронта в Ставку ВГК. Замысел этой операции заключался в том, чтобы ударами по сходящимся направлениям с севера и юга по флангам 2-й немецкой армии окружить и уничтожить ее основные силы, освободить важный в оперативном отношении район Воронеж — Касторное. Начало наступления намечалось на 24—26 января.

Командующий Воронежским фронтом решил осуществить прорыв обороны противника на трех участках: на правом фланге 38-й армии, на левом фланге 60-й армии (на правом берегу Дона) и на участке 40-й армии. Главный удар предполагалось осуществить так же, как и в Острогожско-Россошанской операции против открытого фланга окружаемой группировки противника, то есть 40-й армией из района Роговатое, Шаталовка в направлении на Касторное. Армия К.С.Москаленко должна была во взаимодействии с 13-й армией Брянского фронта, наносившей удар на Касторное с севера, окружить и уничтожить воронежско-касторненскую группировку немецких войск.

На войска 40-й армии возлагалась также задача по обеспечению всей операции с юго-запада и образованию внешнего фронта окружения, для чего левофланговые соединения армии должны были развивать наступление в направлении Терехово, Ястребовка.

38-я армия генерал-лейтенанта Н.Е.Чибисова должна была наступать из района Тербуны 2-е главными силами на Ниж. Ведуга и одной дивизией на Касторное.

60-я армия генерал-майора И.Д.Черняховского должна была нанести удар из района Яблочное, главными силами на Ниж. Ведугу и одной дивизией вдоль правого берега Дона на Латное.

Наиболее сложной была задача 13-й армии генерал-майора Н.П.Пухова. По решению командующего Брянским фронтом генерал-лейтенанта М.А.Рейтера она наносила удар в полосе между реками Кшень и Олым. После прорыва обороны противника силами первого эшелона армия должна была развивать наступление на Касторное, где соединиться с войсками Воронежского фронта и совместно с ними завершить окружение воронежско-касторненской группировки противника. Второй эшелон армии получил задачу выдвинуться на р. Тим с целью создания здесь внешнего фронта окружения. Сложность задачи заключалась в наступлении на строившуюся несколько месяцев оборону немецких соединений, никак не разбавленных союзниками.

Всего для участия в операции из состава обоих фронтов привлекалось в общей сложности двадцать семь стрелковых дивизий, семь стрелковых бригад, два танковых корпуса, восемь отдельных танковых бригад, три отдельных танковых полка и два отдельных танковых батальона. Пассивность задач противника позволяла из этого количества сил и средств сосредоточить на избранных для нанесения ударов направлениях 72% стрелковых войск, 90% артиллерийских средств и все 100% танковых войск. Операция в отличие от Острогожско-Россошанской была строго симметричной: для ударов на окружение со стороны обоих фронтов привлекались примерно равные силы и по одному танковому корпусу. Начало наступления командующими фронтами устанавливалось: для 40-й армии — 24 января, для 60-й армии — 25 января, для 38-й и 13-й армий — 26 января 1943 г.

Так же, как и в ходе Острогожско-Россошанской операции, была произведена перегруппировка сил и средств между армиями для создания ударных группировок. В частности, в 13-ю армию были рокированы из 48-й армии 81, 211-я и 280-я стрелковые дивизии, 193-й отдельный танковый полк. Кроме внутрифронтовых перегруппировок, производились значительные перегруппировки внутри армий. Например, в 60-й армии с правого фланга на левый перебрасывались две стрелковые дивизии и одна стрелковая бригада. Такие же примерно перегруппировки производились и в других армиях.

Перегруппировка многих соединений производилась на большие расстояния. Например, 5-я артиллерийская дивизия Брянского фронта совершала марш на расстояние до 200 км. 14-я танковая бригада Воронежского фронта — 160 км, стрелковые соединения 60-й армии — 60—80 км. Большинство соединений было перегруппировано с 16 по 23 января. Войска 40-й армии перегруппировку осуществили в период с 19 по 23 января.

В результате произведенных перегруппировок войска Брянского и Воронежского фронтов к началу операции заняли следующее положение.

В 13-й армии, действовавшей в 46-километровой полосе, ударная группировка была сосредоточена на 18-километровом фронте между pp. Кшень и Олым. В первом эшелоне ударной группировки находились четыре стрелковые дивизии (148, 307, 132-я и 8-я), одна танковая бригада и три танковых полка; во втором эшелоне — три стрелковые дивизии (280, 211-я и 81-я) и 129-я танковая бригада. Всего в армии Н.П.Пухова для непосредственной поддержки пехоты выделялись 167 танков. В полосе 13-й армии был также сосредоточен резерв фронта — 6-я гвардейская и 137-я стрелковые дивизии и 19-й танковый корпус (81 танк).

В 38-й армии ударная группировка была развернута на 14-километровом фронте от Козинки до Озерки и имела 240-ю и 167-ю стрелковые дивизии, 180-ю танковую бригаду и 14-й танковый батальон (91 танк). Все силы строились в один эшелон. За ударной группировкой в резерве армии находились одна стрелковая дивизия, курсы младших лейтенантов и танковый батальон.

60-я армия, получив от 40-й армии 22-километровый участок от р. Дон до Семидесятское, свою ударную группировку развернула на левом фланге, на участке фронта в 12 км; в ее первом эшелоне находились 322-я и 232-я стрелковые дивизии, 253-я стрелковая и три танковые бригады (51 танк); во втором эшелоне — 303-я стрелковая дивизия.

40-я армия действовала в полосе шириной 50 км. В первом эшелоне были развернуты 25-я гвардейская, 183, 309, 107-я и 340-я стрелковые дивизии, 129-я стрелковая и 192-я и 96-я танковые бригады (28 танков). Во втором эшелоне были три лыжно-стрелковые бригады и 305-я стрелковая дивизия, выдвигавшаяся из района Алексеевки в полосу наступления армии. 4-й танковый корпус (219 танков) занял исходные позиции в полосах 309-й и 107-й стрелковых дивизий, имея ближайшей задачей совместно с этими дивизиями прорывать оборону противника, а затем развивать успех на Касторное. Главные силы 40-й армии были сосредоточены в центре на 30-километровом фронте, где в первом эшелоне находились четыре стрелковые дивизии и все танковые войска.

В течение первых пяти дней операции, с 24 по 28 января, войска Брянского и Воронежского фронтов прорвали оборону противника и развивали наступление в глубину. Своеобразной традицией как «наступления богов», так и других операций зимы 1942—1943 гг. стала плохая погода, затруднившая артиллерийскую подготовку и лишившая советские войска поддержки с воздуха. С утра 24 января бушевала метель, видимость была крайне ограниченной. В надежде на то, что метель несколько утихнет, начало артиллерийской подготовки с предрассветных часов перенесли на 12 часов дня. Однако метель не унималась, и независимо от погоды было решено начать артиллерийскую подготовку в 12.30. Как и следовало ожидать, плохая видимость существенно снизила эффективность огня артиллерии. Положение в полосе 40-й армии спасал только тот факт, что оборона на этом направлении была наспех занятой, и на ее оборудование у немецких войск были считанные дни. Одновременно с пехотой начал наступление 4-й танковый корпус, с трудом пробивавшийся через снежные заносы. За день корпус смог преодолеть только 16 км вместо запланированных 35 км. Стрелковые дивизии 40-й армии смогли продвинуться только на 3—6 км или даже вели бой, не продвинувшись ни на йоту от исходных позиций.