Перед Сталинградским фронтом ставилась задача нанести главный удар из района Сарпинских озер силами трех армий (51, 57, 64-я), прорвать оборону 6-го румынского армейского корпуса и разгромить его. Затем, развивая наступление на северо-запад в общем направлении на Советский, к исходу второго дня операции соединиться здесь с войсками Юго-Западного фронта и завершить окружение сталинградской группировки противника. Чтобы обеспечить действия ударной группировки с юго-запада, фронт получил приказ частью сил наступать в направлении Абганерово, Котельниково с целью создания внешнего фронта окружения. Прикрытие и поддержка ударной группировки Сталинградского фронта с воздуха возлагались на 8-ю воздушную армию.
Донской фронт должен был нанести удары с плацдарма в районе Клетской силами 65-й армии и из района Качалинской — вдоль левого берега Дона — 24-й армии по сходящимся направлениям на Вертячий с задачей окружить и уничтожить группировку противника, оборонявшуюся в малой излучине Дона. Войска фронта поддерживала 16-я воздушная армия.
Решения, принятые командующими войсками фронтов, соответствовали тем задачам, которые поставила Ставка ВГК. Однако сложившаяся к тому времени обстановка заставила их внести некоторые изменения в первоначально намеченные направления главных ударов, уточнить участки прорыва и состав ударных группировок армий. С учетом данных разведки о состоянии обороны противника оперативное построение фронтов было одноэшелонным, а выделенные резервы — незначительными. В своих решениях командующие войсками фронтов основной упор сделали на высокие темпы прорыва обороны противника и развитие стремительного наступления в ее оперативной глубине. Для этого силы и средства массировались на направлениях главных ударов, армиям придавались для усиления почти все подвижные соединения и основная масса артиллерии РВГК, участки прорыва назначались неширокими и были удалены друг от друга на 15–20 км.
Советскому командованию благодаря тщательной подготовке операции и хорошей маскировке удалось добиться стратегической внезапности и провести решительное массирование сил и средств на направлениях главных ударов фронтов. На участках прорыва Юго-Западного и Сталинградского фронтов, составлявших 9 % общей протяженности линии фронта, было сосредоточено 50 % и 66 % стрелковых дивизий соответственно, 85 % артиллерии усиления, 100 % гвардейских минометных частей, все танковые и кавалерийские корпуса. В результате, при общем преимуществе группы армий «Б» в силах и средствах, на участках прорыва фронтов было создано превосходство над противником: в людях — в 2–2,5 раза, в артиллерии и танках — в 3–5 и более раз.
Оперативное построение армий было в два эшелона, только 51-я и 57-я армии Сталинградского фронта имели построение в один эшелон. В пяти армиях из семи были созданы подвижные группы в составе двух танковых и кавалерийского корпусов. Во всех армиях, входивших в ударные группировки фронтов, создавались артиллерийские группы дальнего действия, зенитные артиллерийские группы и группы гвардейских минометных частей. В целом оперативное построение армий обеспечивало не только нанесение мощного первоначального удара, но и возможность наращивания усилий в ходе наступления.
Впервые в крупном масштабе планировалось применить артиллерию и авиацию, причем в форме артиллерийского и авиационного наступления. Артиллерийское наступление должно было осуществляться по трем периодам: артиллерийская подготовка атаки, артиллерийская поддержка атаки и артиллерийское сопровождение боя пехоты и танков в глубине. Артиллерийская подготовка на Юго-Западном и Донском фронтах планировалась продолжительностью 80 минут, на Сталинградском фронте — от 40 до 75 минут. Плотность артиллерии на участках прорыва достигла 70 и более орудий и минометов на 1 км фронта. Наивысшая плотность (с учетом установок реактивной артиллерии) создавалась в 5-й танковой армии — 117 орудий и минометов. В полосах наступления армий Сталинградского фронта артиллерийские плотности были гораздо ниже — 40–50 единиц на 1 км фронта. Авиационное наступление предполагало непосредственную авиационную подготовку и авиационную поддержку наступления наземных войск (Военно-исторический журнал, 1972. № 11. — С. 37).
Особенность планирования боевого применения танковых войск состояла в том, что их основная масса использовалась на направлениях главных ударов фронта в составе подвижных групп армий. Часть танков выделялась для непосредственной поддержки пехоты (НПП), в этом качестве использовались отдельные танковые батальоны, полки и бригады, причем применялись они централизованно в полосе наступления стрелковой дивизии. Хотя по сравнению с контрнаступлением под Москвой плотность танков НПП возросла здесь в 1,3–2,2 раза, но все же этого было еще недостаточно для прорыва обороны противника в короткие сроки. Поэтому в ряде случаев предусматривалось усиление стрелковых дивизий танками за счет армейских подвижных групп. При организации противовоздушной обороны на направлениях главных ударов сосредоточивалось до 74 % зенитных средств фронтов, что позволило на участках прорыва достичь плотности 13,2 зенитного орудия на 1 км фронта (Военно-исторический журнал, 1968. № 3. — С. 67).