Вечером 18 января 1943 г. Воронежский фронт ещё не завершил полное уничтожение острогожско-россошанской группировки, а находившийся здесь начальник Генштаба генерал армии А.М. Василевский, обсудив с его командованием сложившуюся благоприятную для наступления оперативную обстановку, направил в Ставку ВГК соображения о проведении новой наступательной операции – Воронежско-Касторненской, и уже 20 января Ставка их одобрила. План Василевского предусматривал встречными ударами с севера и юга трёх армейских группировок двух фронтов окружить и разгромить 2-ю немецкую и 2-ю венгерскую армии под Воронежем и очистить железную дорогу Елец – Валуйки. Это не только позволяло овладеть важным в оперативном отношении районом западнее Воронежа, но и создавало предпосылки для развития дальнейшего наступления на Курск и на территорию Украины. Планировалось, что к концу операции враг будет отброшен за рубеж Советский, Ефросиновка, Ястребовка, Александровна, Русская Холань, Ольховатка. Следовательно, она должна была завершиться окончательным разгромом всей ГА «Б».

Наступление планировалось по классической схеме «клещи» силами четырех армий двух фронтов. С левого крыла Брянского (командующий генерал-лейтенант М.А. Рейтер) привлекались 13-я А, а с правого фланга Воронежского (генерал-полковник Ф.И. Голиков) – 38, 60 и 40-я А. Всего предполагалось задействовать 27 стрелковых дивизий, танковый корпус, 7 стрелковых и 8 танковых бригад. С воздуха их должны были прикрыть соединения 2-й ВА Воронежского и 15-й ВА Брянского фронтов. В общей сложности к операции привлекались около 250 000 человек, более 4000 орудий и миномётов, более 700 танков и 527 самолётов[173].

Главный удар намечалось нанести двумя армиями под основание «воронежского выступа» по сходящимся на Касторное направлениям: с севера (из р-на юго-восточнее Ливны) 13-я А генерал-майора Н.П. Пухова и с юга (из р-на Роговато – Погорелое) 40-я А генерал-майора К.С. Москаленко. Они должны были создать не только внешний, но и внутренний фронт окружения за счёт выдвижения своих вторых эшелонов на рубеж р. Тим. Справедливо считая южную часть выступа наиболее уязвимым участком обороны противника, советское командование отвело ведущую роль в операции находившейся здесь армии Москаленко.

Для отвлечения сил с направления главного удара и затруднения противнику манёвра резервами, в наступление вместе с 40-й А в общем направлении на Нижнюю Ведугу готовились перейти 38-я А генерал-лейтенанта Н.Е. Чибисова (из р-на Тербуны) и 60-я А генерал-майора И.Д. Черняховского (из р-на Яблочное). Таким образом, если бы все четыре армии выполнили намеченный план, то «воронежский выступ» должен был быть расколот на несколько частей и в нём образовались бы минимум три «котла»: первый – между левым флангом 13-й и правым – 38-й А (в основном силы 13-го ак), второй – группа «Зиберт», зажатая между правым крылом 40-й и левым – 60-й А, а также ударным клином 38-й А и, наконец, третий «мешок», в треугольнике Воронеж – Тербуны – Яблочное, после встречи войск 38-й и 60-й А у Нижней Ведуги.

Подготовка к операции шла тяжело. Во-вторых, резервов выделено не было, Голикову и Рейтеру предстояло создавать ударные группировки за счёт собственных сил и средств, проведя в тяжёлых зимних условиях внутреннюю перегруппировку. Сначала требовалось обеспечить 60-ю А необходимым рубежом для активных действий, а также, учитывая, что 40-я А должна решать самые большие задачи относительно своих соседей и пройти большее расстояние до встречи с 13-й А у Касторного, её следовало значительно усилить. И все это в крайне сжатые сроки – 3–4 суток. Чтобы уложиться в отведённое время, Ф.И. Голиков передаёт 22-км участок по правому берегу Дона от Костенки до Семидесятного вместе с войсками (141, 252, 322-й сд, 86, 150 тбр и 10-й ад) от Москаленко Черняховскому, а в 40-ю А из резерва фронта направляет 4-й тк, 183, 309-ю сд и 129-ю сбр