В 3-й танковой армии были развернуты в первом эшелоне на правом фланге две стрелковые дивизии и одна стрелковая бригада на широком участке фронта [Обе стрелковые Дивизий (160-я й 127-я) До 17 января входили состав 6-й армии Юго-Западного фронта.] и на левом фланге в составе ударной группировки — три стрелковые дивизии и три танковые бригады; во втором эшелоне армии сосредоточились два танковых корпуса, причем две танковые бригады 15-го танкового корпуса к началу операции еще не прибыли.

7-й кавалерийский корпус сосредоточился за ударной группировкой 3-й танковой армии.

Резерв фронта состоял из одной стрелковой дивизии (322-й), расположенной за ударной группировкой 40-й армии.

Стрелковые дивизии и бригады первого эшелона ударных группировок строили свой боевой порядок в один или два эшелона. Стрелковые полки наступали в двух эшелонах.

Всего на трех участках прорыва общей шириной в 34 км было развернуто в первом эшелоне 9½ стрелковых дивизий и во втором — 2½ стрелковые дивизии и два танковых корпуса. Оперативное построение наших войск перед Острогожско-Россошанской операцией характеризуется смелым и решительным сосредоточением сил на главных направлениях за счет резкого ослабления сил на второстепенных участках фронта, где были оставлены отдельные подразделения преимущественно специальных родов войск с плотностью до 10 км фронта на батальон. Такое смелое решение обосновывалось тем, что наступление противника в полосе фронта было маловероятным.

Решительное сосредоточение сил и средств на направлениях, избранных для ударов, обеспечивало необходимые для прорыва оперативные плотности и превосходство над противником.

Тактические плотности на участках прорыва армий составляли: 1,7—3,3 батальона, 41—108 орудий и минометов и 10—22 танка на 1 км фронта. Превосходство над противником при прорыве главной полосы его обороны выражалось: по пехоте — в 2,3—3,7 раза, по артиллерии — в 5—8 раз и по танкам — в 1,3—3 раза.

Из всех имевшихся во фронте 4379 орудий и минометов (калибром от 76 мм и крупнее) к наступлению было привлечено 3135 орудий и минометов, то есть 70% всей артиллерии. Из этого количества 2644 орудия и миномета были сосредоточены на участках прорыва, что позволило довести среднюю плотность до 78 орудий и минометов на 1 км фронта.

Артиллерийское обеспечение было спланировано с учетом особенностей предстоявшего прорыва обороны противника на каждом из направлений. В 40-й армии и 18-м стрелковом корпусе, где оборона противника имела наибольшую плотность, на артиллерийскую подготовку атаки отводилось 120 минут; на участке прорыва 3-й танковой армии, где оборона противника была менее сильной, — 20 минут. Артиллерийская поддержка атаки пехоты и танков на всех направлениях прорыва вражеской обороны должна была осуществляться методом последовательного сосредоточения огня.

Характерным в организации артиллерийского обеспечения являлось выделение большого количества орудий для стрельбы прямой наводкой. Так, например, в 40-й армии на прямую наводку было выделено 20% всей артиллерии, привлеченной к прорыву. Здесь в среднем на 1 км фронта 25 орудий стреляло прямой наводкой.

К началу наступательной операции в состав 2-й воздушной армии под командованием генерал-майора авиации Смирнова К. Н. входили две истребительные, две штурмовые авиационные дивизии и одна дивизия ночных бомбардировщиков, в которых в общей сложности имелось 208 боевых самолетов.

Вся авиация воздушной армии была разделена на две группы: северную и южную. Северная группа в составе одной истребительной и одной штурмовой авиационных дивизий (всего 64 самолета) предназначалась для обеспечения боевых действий 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса. Южная группа в составе одной истребительной, одной штурмовой авиационных дивизий и двух авиационных полков ночных бомбардировщиков (всего 78 самолетов) должна была обеспечивать боевые действия 3-й танковой армии и 7-го кавалерийского корпуса. В непосредственном распоряжении командующего 2-й воздушной армией был оставлен один полк ночных бомбардировщиков.

Для решения задач инженерного обеспечения операции Воронежский фронт был усилен одной инженерно-саперной бригадой и одной инженерно-минной бригадой, а также рядом специальных частей и подразделений. Средняя насыщенность инженерными войсками с учетом войсковых саперов достигала немногим более трех саперных рот на 1 км фронта прорыва, что было явно недостаточно и не могло обеспечить выполнения всех задач инженерного обеспечения наступательной операции. В период подготовки операции основные усилия инженерных войск фронта планировалось направить на ведение непрерывной инженерной разведки, на инженерное оборудование исходного района, главным образом разминирование местности, а также на выполнение работ по постройке мостов, переправ и подъездов к ним. Особое внимание обращалось на поддержание в проезжем состоянии существовавших дорог, что в условиях многоснежной зимы требовало от инженерных войск и дорожно-эксплуатационных частей фронта больших усилий.

Среди мероприятий по оперативному обеспечению важнейшее место занимали: разведка всех видов, обеспечение флангов ударных группировок и обеспечение оперативной внезапности. За два дня до начала наступления на участке прорыва 40-й армии была проведена разведка боем силами передовых батальонов. Действия передовых батальонов поддерживали огнем четыре артиллерийских полка, две батареи артиллерии большой мощности, два дивизиона реактивной артиллерии М-13. Кроме того, в наступлении этих батальонов участвовала штурмовая авиация и танки (две танковые роты 116-й танковой бригады). В результате была уточнена система обороны и группировка противника в его главной полосе. Кроме того, вклинением передовых батальонов на глубину до 3,5 км, еще до начала общего наступления, удалось нарушить целостность обороны противника перед сторожевским плацдармом.