Замысел наступательной операции сводился к тому, чтобы тремя ударными группировками, сосредоточенными на плацдармах у 1-е Сторожевое и Щучье, а также в районе северо-западнее Кантемировки, прорвать оборону противника и, развивав наступление по сходящимся направлениям на Алексеевку, Острогожск и Карпенково, окружить и уничтожить его острогожско-россошанскую группировку.

Обеспечение операции с юга, со стороны Донбасса, возлагалось на 6-ю армию Юго-Западного фронта, которая должна была наступать своим правым флангом на Покровское.

Начало операции было намечено на 12 января 1943 г.

Для выполнения поставленной задачи Воронежский фронт был усилен 3-й танковой армией в составе двух танковых корпусов, одной отдельной танковой бригады, двух стрелковых дивизий, 4-м танковым корпусом, 7-м кавалерийским корпусом, тремя стрелковыми дивизиями, 8-й артиллерийской дивизией прорыва, 9-й артиллерийской дивизией ПВО, 4-й дивизией реактивной артиллерии и тремя лыжно-стрелковыми бригадами.

3-я танковая армия была выдвинута в полосу 6-й армии Юго-Западного фронта на участок между Нов. Калитвой и Кантемировкой, который был включен в полосу Воронежского фронта.

Местность, на которой развертывались боевые действия войск в Острогожско-Россошанской и Воронежско-Касторненской операциях, большей своей частью пересеченная, с большим числом высот и оврагов. Незначительные лесные массивы простираются лишь по берегам Дона и в районах северо-западнее Острогожска, северо-восточнее Алексеевки, севернее Валуек. Небольшое количество рек и мелких речек, протекающих по территории района, в зимнее время не являлось преградой для наступавших войск.

Серьезным естественным рубежом в полосе наступления наших войск являлась р. Дон. Ширина Дона здесь в среднем составляет 300 м, а на отдельных участках достигает 400 — 500 м. В начале января 1943 г. река была покрыта льдом толщиной до 25—30 см. Лед был непрочным и допускал переправу только пехоты и легких грузов. От инженерных войск фронта поэтому требовалось проведение в период подготовки операции больших работ по постройке мостов и усилению существовавших ледяных переправ для сосредоточения боевой техники на сторожевском и щучьенском плацдармах, наличие которых в полосе наступления фронта позволяло развернуть на них ударные группировки, избежав тем самым необходимости преодолевать реку по льду. Наличие в расположении противника большого количества населенных пунктов, превращенных им в опорные пункты и узлы сопротивления, облегчало вражескому командованию организацию обороны.

В конце декабря и первой половине января 1943 г. наблюдалась оттепель, во второй половине января — сильные морозы (до 30°), в начале февраля — обильные снегопады с частыми метедями (глубина снежного покрова достигала 1 м). Продолжительность дня составляла 7,5—8 часов. Все это вместе взятое создавало большие трудности для наступавших войск, а также обусловливало ограниченность действий авиации.