Sau thất bại tại mặt trận Stalingrad, quân đội Đức quốc xã và các đồng minh của nó đã phải chuyển sang thế phòng ngự chiến lược trên toàn bộ mặt trận Xô-Đức. Riêng tại Kavkaz, Cụm tập đoàn quân A Đức phải vừa rút lui vừa chống đỡ các đòn tấn công của Cụm tác chiến ven biển và Phương diện quân Bắc Kavkaz của Liên Xô nhằm thoát khỏi nguy cơ bị hợp vây. Trong cuộc rút quân này, Quân đoàn sơn chiến Alpino của phát xít Ý được điều về hướng Voronezh để tăng cường phòng tuyến sông Đông cùng với Tập đoàn quân 2 (Đức) và Tập đoàn quân 2 (Hungary).[7]

Trong giai đoạn đầu của chiến dịch Voronezh (1942) các tập đoàn quân 38 và 60 đã phải lùi về tả ngạn sông Đông. Cuối tháng 7 năm 1942, Tập đoàn quân 6 của Phương diện quân Voronezh đã vượt sông Đông và chiếm được một bàn đạp nhỏ rộng 10 km, sâu 8 km tại khu vực Storozhevoy. Giữa tháng 9 năm 1942, Ph­ương diện quân Voronezh đã sử dụng các tập đoàn quân 38, 40 và 60 mở chiến dịch tiến công nhằm chiếm lại phần phía Tây thành phố Voronezh đang ở trong tay Tập đoàn quân 2 (Đức). Trong chiến dịch này, chỉ có tập đoàn quân 40 chiếm được khu vực ngoại ô Tsizovka (???), các tập đoàn quân 38 và 60 đều thất bại khi đột kích vào thành phố. Tháng 10 năm 1942, Bộ Tổng tư lệnh quân đội Liên Xô ra lệnh dừng chiến dịch và chuyển phương diện quân Voronezh sang phòng ngự.[8]

Đến cuối tháng 12 năm 1942, khi một lực lượng lớn quân đội Đức Quốc xã đang bị hút vào hướng Stalingrad để cứu viện cho Tập đoàn quân 6 (Đức) thì Phương diện quân Voronezh đã cải thiện được tuyến phòng thủ kéo dài từ đầu mối đường sắt Elets qua Kastornoye đến Voronezh và từ Voronezh dọc theo sông Đông qua Novaya Kalitva đến phía Đông Kantemirovka. Trong khi Phương diện quân Tây Nam (Liên Xô) đang tấn công thắng lợi vào Cụm tác chiến Hollidt (Đức) trong Chiến dịch Sao Thổ thì Phương diện quân Voronezh cũng chuẩn bị cho chiến dịch tại khu vực Ostrogozhsk - Rossosh. Chiến dịch diễn ra trong tình thế quân Đức không còn lực lượng dự bị tại tuyến cách mặt trận 400 km và nước Đức cũng như cả thế giới đang dõi theo kết cục của trận Stalingrad. Khác với mùa đông chiến tranh thứ nhất (1941-1942), đến mùa đông chiến tranh thứ hai (1942-1943), quân đội Liên Xô đã xây dựng được những đơn vị đột kích mạnh, binh lực tập trung, đó là các Tập đoàn quân xe tăng. Phương diện quân Voronezh được tăng cường Tập đoàn quân xe tăng 3 của tướng P. S. Rybalko gồm các quân đoàn xe tăng 12, 15, lữ đoàn xe tăng độc lập 179 và các sư đoàn bộ binh 48, 184.[9]