Авиацию 2-й воздушной армии (командующий — генерал К. Н. Смирнов) планировалось использовать двумя группами по направлениям. Северная группа поддерживала боевые действия 40-й армии и 18-го отдельного стрелкового корпуса, а южная — наступление З-й танковой армии и 7-го кавалерийского корпуса. Задачи авиации — поддержка пехоты и танков при прорыве ими обороны, прикрытие подвижных войск, нанесение ударов по резервам врага, его аэродромам и железным дорогам.
В отношении достижения внезапности наступления А. М. Василевский впоследствии вспоминал: «Мы разработали и провели в жизнь целую систему мероприятий по маскировке и сохранению в тайне всех перегруппировок войск и подготовительных работ. Уделено было также большое внимание мероприятиям по дезинформации противника». Проводились ложные перегруппировки войск, скрытное размещение макетов техники, расчистка дорог от снежных заносов на второстепенных направлениях. В полосах 38-й и 60-й армий имитировалось сосредоточение артиллерии путем оборудования огневых позиций, пристрелки отдельных орудий и т. д. Правда, скрытное развертывание ударных группировок осложнялось ограниченной площадью плацдармов, с которых переходили в наступление 40-я армия и 18-й отдельный стрелковый корпус. Поэтому почти все соединения днем двигались по тем дорогам, что выводили к пассивным участкам фронта, а затем, уже в ночное время, — в действительные районные сосредоточения.
В целом оперативная маскировка дала положительный эффект. Как показал потом попавший в плен командир 3-го венгерского армейского корпуса генерал Штом, венгерское командование, хотя и предвидело наступление советских войск, но в значительно меньших масштабах. Это и понятно: ведь состав советских войск в районе сторожевского плацдарма оно определило только на треть. А командование 24-го немецкого танкового корпуса на направлении главного удара 3-й танковой армии в районе Кантемировки вообще не выявило двух танковых и кавалерийского корпусов. В свою очередь, командование группы армий «Б» ожидало перехода советских войск в наступление из районов Лиски и Павловска, а потому сосредоточило свой резерв на направлении вспомогательного, а не главного удара Воронежского фронта.
Из-за большой удаленности ударных группировок друг от друга командование фронта особое место отводило организации управления войсками и тесного взаимодействия между ними. Для этого в армии и корпуса направлялись офицеры штаба фронта, при штабах армий создавались вспомогательные пункты управления боевыми авиационными группами. Поскольку командование фронта находилось в 180 км от южного участка прорыва, в 3-й танковой армии был также развернут вспомогательный пункт управления фронта. Командные пункты армий и корпусов были приближены к соединениям первого эшелона.
Не остались без внимания и вопросы материального обеспечения операции. Согласно решению командующего войсками Воронежского фронта, предусматривалось накопить 3–3,5 боекомплекта боеприпасов и 5 заправок горюче-смазочных материалов. При всем желании достигнуть этого к началу операции не удалось, особенно в 3-й танковой армии. Ведь для подвоза материальных средств она имела в общей сложности около 270 автомашин и 88 автоцистерн, а гужевой транспорт вообще отсутствовал. Командующему пришлось использовать для этого часть боевого автотранспорта, что влекло за собой спешивание мотопехоты и могло привести к отставанию ее в бою от танковых бригад. К началу наступления в армии удалось накопить всего-навсего 1–2 боекомплекта боеприпасов.
Принимались также меры для повышения подвижности войск в условиях снежной зимы. На каждую дивизию было заготовлено по 400–500 саней для транспортировки солдат с тяжелым вооружением. Части обеспечивались лыжами, автомашины — комплектами цепей.
Особое внимание в ходе подготовки к наступлению уделялось усилению 40-й армии генерала К. С. Москаленко. Армия в составе пяти стрелковых дивизий, одной стрелковой, трех танковых и двух истребительных бригад, артиллерийской и минометной дивизий представляла собой северную ударную группировку фронта и не имела на всем своем фронте численного превосходства над противником ни в силах, ни в средствах. Однако на сторожевском плацдарме соотношение числа батальонов составляло 2,7:1, орудий и минометов — 5:1, танков — 1,3:1 в пользу советских войск. Это был результат решительного массирования основных сил и средств на участке прорыва.