Quân đội Liên Xô

• Tập đoàn quân 40 do trung tướng K. S. Moskalenko chỉ huy, biên chế gồm có:
  • Sư đoàn bộ binh cận vệ 25,
  • Các sư đoàn bộ binh 107, 141, 305, 322, 340 và lữ đoàn bộ binh 235;
  • Các lữ đoàn xe tăng 86, 116, 192;
  • Trung đoàn pháo phản lực cận vệ 76;
  • Các trung đoàn pháo chống tăng cận vệ 4, 784 và 595;
  • Các trung đoàn súng cối 493 và 494;
  • Trung đoàn pháo binh 1148 và 1289;
  • Trung đoàn công binh 14.
• Tập đoàn quân xe tăng 3 do trung tướng P. S. Rybalko chỉ huy, trong biên chế có:
  • Quân đoàn xe tăng 12 gồm các lữ đoàn xe tăng 30, 97, 106, lữ đoàn bộ binh cơ giới 13 và trung đoàn công binh 6;
  • Quân đoàn xe tăng 15 gồm các lữ đoàn xe tăng 88, 113, 185, lữ đoàn bộ binh cơ giới 52 và trung đoàn công binh 5;
  • Sư đoàn bộ binh cận vệ 48;
  • Sư đoàn bộ binh 184;
  • Sư đoàn kỵ binh 7;
  • Các trung đoàn pháo chống tăng 1172, 1245;
  • Trung đoàn pháo phản lực 62;
  • Các trung đoàn pháo 71, 319, 470.
• Quân đoàn bộ binh độc lập 18 của tướng P. V. Zykov gồm các sư đoàn bộ binh 161, 219 và 309 và lữ đoàn bộ binh 129.
• Tập đoàn quân không quân 2 do thiếu tướng K. N. Smirnov chỉ huy, biên chế gồm có:
  • Các sư đoàn tiêm kích 205 và 205;
  • Các sư đoàn ném bom 50 và 227;
  • Các sư đoàn cường kích 375, 376 và 878.

Trên khu vực đột phá có chính diện chỉ 10 km của Tập đoàn quân 40 đã tập trung một lực lượng pháo binh lớn với mật độ lên đến 108 khẩu pháo và súng cối/km. Cách tiền duyên 3–4 km có 11 tiểu đoàn pháo tầm xa 122 li và 152 li, mỗi tiểu đoàn gồm 6 khẩu đội. Ngoài ra còn có 2 lữ đoàn pháo phản lực bố trí xen kẽ giữa các đơn vị pháo binh mặt trận. Mật độ pháo binh tầm xa cũng đạt đến 25 khẩu/km, bảo đảm chế áp các trận địa pháo của quân Đức cách xa đến 10 km sau tiền duyên. Ở hai bên sườn cửa đột phá, mật độ pháo binh chỉ có 57 khẩu trên trận tuyến dài 75 km. Mặc dù biết rằng, tập trung pháo binh về một cửa đột phá hẹp như vậy là mạo hiểm nhưng tướng Moskalenko cho rằng đó là cách tốt nhất để đột phá nhanh qua các tuyến phòng thủ của quân Đức với điều kiện phải giữ được bí mật việc tập trung quân ở khu vực cửa mở đã dự kiến.[8]

Ngày 6 tháng 1 năm 1942, trong khi Phương diện quân Stalingrad đang chuẩn bị mở Chiến dịch Cái Vòng thì tại Sở chỉ huy Tập đoàn quân xe tăng 3 đã diễn ra hội nghị triển khai kế hoạch tấn công của chỉ huy các binh đoàn Liên Xô do G. K. Zhukov và A. M. Vasilevsky chủ trì. Ngày 9 tháng 1, mọi công tác chuẩn bị đã hoàn tất. Ngày 12 tháng 1, Tập đoàn quân 40 đã mở một số trận đánh trinh sát chiến dịch để kiểm tra lần cuối cùng các thông tin về tình hình quân Đức. Sau khi được báo cáo rằng tại khu vực đột phá, các tập đoàn quân 40 và xe tăng 3 đã tạo được ưu thế 1,3/1 về người, 2,7/1 về xe tăng và 5/1 về pháo và súng cối, các tư lệnh chiến trường của quân đội Liên Xô quyết định mở chiến dịch mà không chờ Quân đoàn xe tăng 4, các lữ đoàn trượt tuyết và sư đoàn pháo phòng không đến chiến trường do việc vận chuyển đường sắt bị thiếu chất đốt.[10]

Kế hoạch tấn công tại Ostrogozhsk-Rossosh được xây dựng theo hình mẫu chiến thuật của Chiến dịch Sao Thổ với các đòn tấn công xuyên tâm, chia cắt kết hợp với các mũi tấn công hợp điểm, bao vây trên từng khu vực. Chủ lực cánh bắc là Tập đoàn quân 40, cánh nam là Tập đoàn quân xe tăng 3. Ngoài ra, các cuộc tấn công tại hướng thứ yếu cũng được dự kiến giao cho Quân đoàn bộ binh độc lập 18 với nhiệm vụ kiềm chế các lực lượng đối phương tại khu vực Sumy-Liski. Từ căn cứ đầu cầu Starozhevoy ở phía Nam Voronezh, cánh quân xung kích của Tập đoàn quân 40 gồm 3 lữ đoàn xe tăng 5 sư đoàn bộ binh có nhiệm vụ đột kích trên chính diện 10 km từ Arkhangenskoye đến Devitsa. Ở phía Nam, Tập đoàn quân xe tăng 3 giáng đòn đột kích vào khu vực Alekseiyevka và Ostrog (???). Ở giữa trận tuyến, Quân đoàn bộ binh độc lập 18 được tăng cường lữ đoàn bộ binh 129 đánh xuyên qua Petrovskoye và Krinitsa, phát triển đến tuyến Karpenkovo - Ostrogozhsk. Kế hoạch dự kiến hợp vây ba cụm quân lớn của đối phương tại Ostrogozhsk Alekseiyeka và Rossosh.[9]

Quân đội Đức Quốc xã, Hungary và Ý

Cụm quân Đức đối diện với các Phương diện quân Liên Xô tại phía Tây Voronezh còn được gọi là Cụm tác chiến Weichs. Đây là cánh Bắc của Cụm tập đoàn quân B (Đức). Sau khi thành lập Cụm tập đoàn quân Sông Đông gồm các đơn vị quân đội Đức Quốc xã tại khu vực Stalingrad và Minlerovo - Likhaya - Rostov, phần còn lại được đổi tên theo tên người chỉ huy nó. Cụm này do Thống chế Maximilian Freiherr von Weichs chỉ huy, biên chế tính đến ngày 12 tháng 1 có:

• Tập đoàn quân 2 (Đức) do tướng Hans von Salmuth chỉ huy, sau khi một số đơn vị được điều đi tăng cường cho hướng Stalingrad và được bổ sung 3 sư đoàn từ Balkan, biên chế còn lại gồm các đơn vị:
  • Quân đoàn bộ binh 13 do tướng Erich Straube chỉ huy, gồm các sư đoàn bộ binh 68, 82, 340 và 377.
  • Quân đoàn bộ binh 55 do tướng Erwin Vierow chỉ huy, gồm các sư đoàn bộ binh 45, 88, 299 và sư đoàn xe tăng 20;
  • Quân đoàn bộ binh 7 do tướng Ernst-Eberhard Hell chỉ huy, gồm các sư đoàn bộ binh 57, 75, 323 và 383;
• Tập đoàn quân 2 (Hungary) do tướng Gusztáv Vitéz Jány chỉ huy gồm các sư đoàn bộ binh 2, 3, 5, 8, 10; các sư đoàn cơ giới 1, 2, 4.
• Quân đoàn sơn chiến Alpino (Ý) do tướng Italo Gariboldi chỉ huy gồm các sư đoàn bộ binh sơn chiến 2, 7, sư đoàn kỵ binh 3 và lữ đoàn cơ giới 6.

Quân đội Đức Quốc xã cố gắng giữ bằng được tuyến đường sắt thứ hai chạy dọc phía Tây sông Đông, sát với mặt trận để dễ dàng cơ động lực lượng đến các hướng bị tấn công, điều này cực kỳ quan trọng đối với quân đội Đức tại mặt trận phía Đông khi họ đã gần như không còn lực lượng dự bị rảnh rỗi để điều động tăng cường cho các hướng bị uy hiếp. Tại khu vực mặt trận, cánh quân này chia cắt giữa Phương diện quân Bryansk và Phương diện quân Voronezh tại tuyến Kremenchuk - Liski. Đối với quân đội Đức, thành phố Ostrogozhsk vừa là căn cứ hậu cần trực tiếp của mặt trận, vừa là đầu mối của 4 tuyến đường sắt quan trọng từ đây toả đi Kursk ở phía Tây, Kharkov ở phía Tây Nam, Voronezh ở phía Bắc, Liski ở phía Đông và xuống phía Nam, đến Kantemirovka (đã bị quân đội Liên Xô cắt đứt tại đây). Việc bám giữ được đầu mối đường sắt này có ý nghĩa cực kỳ to lớn về giao thông quân sự, trực tiếp phục vụ cho các lực lượng Đức đang phòng thủ ở hữu ngạn sông Đông.