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.
Столь же решительно концентрировалась на выбранных направлениях ударов артиллерия. Из 4379 орудий и минометов фронта к наступлению привлекалось 3150 единиц, или 70 % общей численности артиллерии. На трех участках прорыва общим протяжением 34 км было сосредоточено 2644 орудия и миномета. Особенно важна была концентрация артиллерии в условиях слабости ее качественного состава. Из общего количества артиллерии, привлеченной к прорыву, противотанковая артиллерия составляла 12,5 %, минометы — 51,5 %, 76-мм орудия — 23 %, 122-мм и 152-мм орудия — 12,5 % и 203-мм орудия — всего 0,5 %. Ситуация усугублялась отсутствием самостоятельного железнодорожного участка. Воронежский фронт вынужденно базировался на железнодорожный участок Юго-Западного фронта. Ограниченное количество автомобильного транспорта и загруженность железных дорог оперативными перевозками крайне усложняли накопление боеприпасов для операции. Вместо 3–3,5 боекомплекта, предусмотренных планом операции, обеспеченность боеприпасами составляла 1–2 боевых комплекта.
Количество, качество артиллерии и недостаток боеприпасов к ней в какой-то мере компенсировались значительными силами танков, выделяемых для непосредственной поддержки пехоты. Всего в составе Воронежского фронта было 896 танков (112 КВ, 405 Т-34, 87 М3 «Ли», 263 Т-60 и Т-70, 29 М3 «Стюарт»). Из этого числа для обеспечения обороны 38-й и 60-й армий выделялось 99 танков, 382 танка составляли эшелон развития успеха (два танковых корпуса 3-й танковой армии, 4-й танковый корпус к началу операции не прибыл) и 415 боевых машин выделялось для непосредственной поддержки пехоты трех ударных группировок фронта. В 40-й армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 116 (23 КВ 5 Т-70), 150 (29 Т-34, 10 Т-70 и 4 Т-60) и 86-я (6 КВ, 12 Т-34) танковые бригады. В 18-м отдельном стрелковом корпусе — 96-я (15 Т-34 и 6 Т-60) и 192-я (34 М3 «Ли» и 16 М3 «Стюарт») танковые бригады и 262-й танковый полк (21 КВ-1С). В полосе наступления 3-й танковой армии к непосредственной поддержке пехоты привлекались 173-я и 179-я танковые бригады и 97-я тяжелая танковая бригада 12-го танкового корпуса, а всего 162 танка. Основные силы 12-го и 15-го танковых и 7-го кавалерийского корпусов должны были войти в пробитый пехотой прорыв. В целом танки подобно артиллерии и стрелковым соединениям концентрировались на направлениях главного удара. Из 896 танков фронта для проведения наступления привлекалось 797 танков, т. е. почти 90 % бронетехники. Вследствие того, что танковый корпус А.Г.Кравченко не прибыл к началу наступления в полосу 40-й армии, операция приобрела ярко выраженную форму «асимметричных канн». Во-первых, оба самостоятельных подвижных соединения задействовались в полосе наступления южной ударной группировки, а во-вторых, из 797 выделяемых для операции танков 544 единицы сосредотачивались на левом крыле фронта.
В отсутствие заметного общего численного перевеса над противником в результате перегруппировки сил войскам Воронежского фронта удалось достичь превосходства на участках прорыва. 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 и по артиллерии — в 5–8 раз.