К 20 сентября усилиями штаба Западного фронта, который возглавлял генерал-лейтенант В.Д. Соколовский, был разработан и утвержден командующим план оборонительной операции. В нем главный упор делался на сочетании прочной обороны в первом эшелоне с активными действиями фронтовых и армейских резервов{112}. Задача войск состояла в том, чтобы, закрепившись на занимаемом рубеже, не допустить прорыва врага в восточном направлении, создав за счет второстепенных направлений сильные резервы.
Оперативное построение войск фронта было одноэшелонным с выделением в резерв двух стрелковых (152-я, 134-я), двух мотострелковых (101-я, 107-я) дивизий, трех танковых бригад (126,128,143-я), кавалерийской группы генерала Доватора (42, 50,53-я кавалерийские дивизии), двух мотоциклетных полков (8-й, 9-й). Фронт также располагал одной бомбардировочной, четырьмя смешанными авиационными дивизиями, тремя отдельными зенитными дивизионами, бригадой и пятью бригадными районами ПВО, двумя корпусными артиллерийскими полками и тремя полками гвардейских минометов (PC).
В плане операции определялись шесть вероятных направлений действий противника: осташковско-пеновское, ржевское, бельское, сычевское, ярцевское, дорогобужское. Наиболее реальным генерал-полковник Конев считал удар врага в стык 19-й и 16-й армий, вдоль шоссе Смоленск — Вязьма, где, по данным разведки, было сосредоточено 500 танков или около трети всех танков, имевшихся у противника на московском направлении. Поэтому действовавшим здесь 19-й и 16-й армиям были определены узкие полосы обороны, и они получили на усиление больше танков и артиллерии, нежели другие объединения. Основные резервы фронта (152-я стрелковая, 101-я мотострелковая дивизии, 126, 128 и 143-я танковые бригады, 8-й и 9-й мотоциклетные полки) также были сосредоточены в полосах этих двух армий. Остальные резервные соединения располагались в районе Белого. Последующий ход событий показал, что генерал-полковник Конев ошибся в определении направления сосредоточения основных усилий противника.
В соответствии с замыслом командующего Западным фронтом армиям были поставлены конкретные задачи. При этом каждой из них указывались наиболее опасное направление и направления контрударов, места оборудования армейских рубежей и отсечных позиций, противотанковых районов, порядок обеспечения стыков с соседями и другие меры. Некоторым армиям предписывалось наряду с обороной вести наступательные действия для улучшения своего положения. Такая двойственность в постановке задач отвлекала командующих армиями от целеустремленной организации обороны, заставляла распылять и без того слабые силы, имевшиеся в их распоряжении. От командующих армиями требовалось усилить бдительность и всеми видами разведки вскрыть группировку противника и направления его ударов. Артиллерию приказывалось подготовить для проведения артиллерийской контрподготовки, а также усилить противовоздушную оборону.
26 сентября генерал-полковник Конев направил Сталину и начальнику Генерального штаба донесение, в котором отмечал, что по данным разведки и опросом пленного летчика-истребителя установлен подход резервов врага из глубины по железной дороге Минск — Смоленск — Кардымово и по шоссе Минск — Смоленск — Ярцево и Бобруйск — Рославль. В районе Духовщина, Ярцево, Соловьевские переправы, станция Кардымово, Смоленск против войск 19, 16 и 20-й армий Западного фронта и против Резервного фронта на рославльском и спас-деменском направлениях сосредоточиваются вражеские группировки. По показанию пленного летчика, противник готовится к наступлению на Москву, а главный удар будет наноситься вдоль шоссе Вязьма — Москва. Всего для наступления подтянуть около ста дивизий, до 1000 танков, в том числе около 500 в районе шоссе Смоленск — Починок. Переход в наступление намечен на 1 октября. Для прикрытия ярцево-вяземского направления выдвигаются резервы Западного фронта, а в районе станции Дорогобуж и севернее создаются противотанковые рубежи. Конев подчеркивал, что фронт располагает ограниченными резервами — всего четыре стрелковые дивизии и три танковые бригады. Поэтому он просил выделить дополнительные резервы{113}.