Так же как и при подготовке Острогожско-Россошанской операции, при подготовке Воронежско-Касторненской потребовалась крупная перегруппировка сил между армиями для создания ударных группировок. Например, в 13-ю армию перебрасывались из 48-й армии Брянского фронта 81, 211-я и 280-я стрелковые дивизии, 193-й отдельный танковый полк. В 60-ю армию из 40-й передавались 141, 322-я стрелковые и 10-я артиллерийская дивизии, 253-я стрелковая, 86-я и 150-я танковые бригады. Правда, уходили эти соединения в 60-ю армию вместе с 22-километровым участком фронта на правом берегу Дона от Костенки до населённого пункта Семидесятское, т.е. им сниматься с места и совершать передвижения на новый участок фронта не приходилось, они оставались на занимаемых рубежах. В свою очередь, состав 40-й армии был пополнен 183-й (из резерва Воронежского фронта), 309-й стрелковыми дивизиями и 129-й стрелковой бригадой (два последних соединения передавались из 18-го отдельного стрелкового корпуса). Кроме того, прибыл 4-й танковый корпус генерал-майора А.Г. Кравченко, который должен был принять участие в Острогожско-Россошанской операции, но не был переброшен к моменту её проведения [29; 404 – 405], [19; 354], [40; 2 – 3].

Кроме внутрифронтовых перегруппировок производились значительные перегруппировки и внутри армий. Так, в 60-й армии с правого фланга на левый перебрасывались две стрелковые дивизии и одна стрелковая бригада. Такие же примерно перемещения войск происходили и в других армиях [19; 354 – 355].

В ходе перегруппировок многим соединениям приходилось передвигаться на довольно большие расстояния. Скажем, 5-я артиллерийская дивизия Брянского фронта совершила 200-километровый марш. 14-я танковая бригада Воронежского фронта преодолела 160 км, стрелковые соединения 60-й армии – от 60 до 80 км [19; 355], [40; 3].

Большинство соединений было перегруппировано с 16 по 23 января. 40-я армия перебрасывала свои войска с 19 по 23 января [19; 355], [29; 405], [40; 3].

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

13-я армия действовала на 46-километровом фронте. Её ударная группировка была сосредоточена в 18-километровой полосе между реками 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 одна танковая бригада (129-я). Всего в армии Н.П. Пухова для непосредственной поддержки пехоты выделялись 167 танков. Также в полосе 13-й армии был сосредоточен резерв Брянского фронта – 6-я гвардейская и 137-я стрелковые дивизии и 19-й танковый корпус (81 танк) [19; 355], [40; 3].

В 38-й армии ударная группировка была развёрнута в один эшелон на 14-километровом фронте от Козинок до Озерков. В неё входили 167-я и 240-я стрелковые дивизии, 180-я танковая бригада и 14-й танковый батальон (общее количество танков – 91). За ударной группировкой располагался армейский резерв – одна стрелковая дивизия, курсы младших лейтенантов и танковый батальон [19; 355], [40; 3].

60-я армия, получив, как указывалось выше, от 40-й 22-километровый участок от Костенок до Семидесятского, свою ударную группировку как раз на нём и развернула, т.е. на своём левом фланге. Ударная группировка располагалась в 12-километровой полосе и строилась в два эшелона. В первом эшелоне находились 232-я и 322-я стрелковые дивизии, 253-я стрелковая и три танковые бригады (всего – 51 танк); во втором – 303-я стрелковая дивизия [19; 355 – 356], [40; 3].