Lực lượng quân đội Liên Xô trong chiến dịch này là hai Phương diện quân Kalinin (tư lệnh: Đại tướng G. K. Zhukov, đến ngày 26 tháng 8 là Thượng tướng I. S. Koniev) và Phương diện quân Tây (tư lệnh: thượng tướng I. S. Konev, đến ngày 26 tháng 8 là tướng M. A. Purkayev), bao hàm 6 Tập đoàn quân (số 30, 29, 31, 20, 5, 33), hai Tập đoàn quân không quân (số 1 và 3) và 5 quân đoàn độc lập (quân đoàn kỵ binh cận vệ số 2, quân đoàn xe tăng số 6 và số 8, quân đoàn bộ binh cận vệ số 7 và số 8).

Binh lực tổng cộng gồm 43 sư đoàn bộ binh, 8 lữ đoàn, 67 khẩu đội pháo, 37 tiểu đoàn súng cối cận vệ, 21 lữ đoàn xe tăng.[4] Vào đầu tháng 8, quân số của quân đội Liên Xô là hơn 486.000 người, tuy nhiên đây không phải là số quân tổng cộng trong suốt chiến dịch vì trong quá trình tác chiến, quân đội Liên Xô cũng được tăng viện thêm nhiều đơn vị bộ binh và pháo binh khác nữa[5]. Cho đến đầu chiến dịch, số lượng xe tăng tham chiến trong chiến dịch Rzhev-Sychyovka (không tính tập đoàn quân số 29) là 1715 chiếc[5]. Mật độ pháo binh trong các hướng tác chiến chính của Tập đoàn quân số 33 là 40-45 khẩu/1 cây số chính diện mặt trận, của Tập đoàn quân số 20 là 122 khẩu và của Phương diện quân Kalinin là 115-140 khẩu.

Hiện nay chưa có các thông tin chính xác về binh lực của quân Đức trong chiến dịch Rzhev-Sychyovka.

Kế hoạch của chiến dịch Rzhev-Sychyovka dựa trên hai đòn tấn công tại cánh trái (phương diện quân Kalinin) và cánh phải (phương diện quân Tây) nhằm đánh bại lực lượng chính của Tập đoàn quân số 9 của Đức tại khu vực Sychyovka, xóa bỏ "chỗ lồi" Rzhev, giải phóng các thành phố Rzhev, Zubtsov, Sychyovka, Gzhatsk, Vyazma và thiết lập một bàn đạp vững chắc tại khúc cong của sông Volga, sông Gzhat và sông Vazuza.

Đây là lần đầu tiên, ý tưởng "pháo binh công kích" (ru:Артиллерийское наступление) được áp dụng trong một chiến dịch quy mô lớn, được đề cập đến trong chỉ thị của Bộ Tổng tư lệnh Tối cao vào ngày 10 tháng 1 năm 1942.

Chiến dịch phản công chiến lược Rzhev-Sychyovka có thể được chia thành các giai đoạn sau:

• Chiến dịch Rzhev (do Tập đoàn quân số 30 của Phương diện quân Kalinin thực hiện)
• Chiến dịch Zubtsov-Rzhev (Tập đoàn quân số 29 và 31 tại khu vực tiếp giáp của hai Phương diện quân Kalinin và Tây)
• Chiến dịch Pogorelov-Gorodische (Tập đoàn quân số 20 của Phương diện quân Tây)
• Chiến dịch Gzhats (Tập đoàn quân số 5 và 33 của Phương diện quân Tây)