Авиация противника неоднократно наносила удары с воздуха по частям 3-й танковой армии, как во время следования по железной дороге, так и на станциях выгрузки. Командование немецкой 2-й танковой армии, наступавшей в направлении Калуги, отдало 20 августа приказ о переходе своих частей к обороне на достигнутых рубежах в связи с появлением у противника большого количества танков.
В районе Козельска в состав 3-й танковой армии были включены 1-я Московская Краснознаменная гвардейская мотострелковая дивизия, 1155-й пушечный артиллерийский полк РГК и 1245-й истребительно-противотанковый артиллерийский полк. В оперативном отношении командующему армией были подчинены 3-й танковый корпус с 342-й стрелковой дивизией и 105-й стрелковой бригадой, 995-й пушечный и 128-й гаубичный артиллерийские полки РГК, 319, 470 и 1264-й зенитные артиллерийские, 34-й и 77-й гвардейские минометные и 702-й легкий артиллерийский полки, а также 5 отдельных дивизионов реактивных установок М-30[65]. Однако все эти части и соединения прибыли в состав армии полностью только к исходу 24 августа.
Всего в 3-й танковой армии насчитывалось 508 танков (271 средний и тяжелый, 237 легких) и 168 бронемашин[66]. По данным Д.В. Шеина, армия имела 436 танков (КВ – 48, Т-34 – 223, Т-60 – 119, Т-70 – 42, Т-30 – 4), а вместе с 3-м танковым корпусом (78 танков) – 514 боевых машин. Армия располагала 227 орудиями, 124 противотанковыми пушками, 15 реактивными установками БМ-8 и 56 – БМ-13, 326 минометами (без 50-мм), 61 зенитным орудием[67]. Автотранспортом она была укомплектована всего на 60 % к штату, имела 2,6 боекомплекта, 5 заправок горючего и 5–8 сутодач продовольствия и фуража.
В полосе предстоящего наступления 3-й танковой армии протяженностью 23 км оборонялись части немецкой 11-й танковой дивизии, 26-й и 56-й пехотных дивизий при поддержке 62-го истребительно-противотанкового дивизиона самоходных орудий. Здесь же были сосредоточены части 17-й и 20-й танковых дивизий. Противник создал хорошо укрепленную оборону. Она состояла из узлов сопротивления и опорных пунктов, оборудованных в населенных пунктах и на высотах. При этом широко использовались противотанковые рвы, минные поля и оборонительные сооружения, ранее созданные советскими войсками и не разрушенные при отступлении.
Войскам 3-й танковой армии предстояло нанести удар из района юго-восточнее Козельска в направлении Вейно, Сорокино, Старица с целью во взаимодействии с ударной группировкой 16-й армии Западного фронта окружить и в последующем уничтожить ударную группировку войск противника в районе Колосово, Глинная. По решению генерала Романенко намечалось нанести два удара: первый – силами 154-й стрелковой дивизии и 15-го танкового корпуса в направлении Мызин, р. Вытебеть для овладения районом Перестряж, Починок; второй – силами 264-й стрелковой дивизии и 12-го танкового корпуса в направлении Озерна, Сорокино, Обухово с целью занять район Медынцево, Никитское, Старица.
Оперативное построение войск армии было в два эшелона: в первом – 15-й танковый корпус с подчиненной ему 154-й стрелковой дивизией и 12-й танковый корпус с подчиненной ему 264-й стрелковой дивизией; во втором – 1-я Московская Краснознаменная гвардейская мотострелковая дивизия. Второй эшелон армии предусматривалось ввести в сражение после выхода 264-й стрелковой дивизии на меридиан Сорокино для развития наступления на Красногорье и прикрытия действий армии с юга. В резерве находилась 179-я отдельная танковая бригада. На участке прорыва шириной 11 км было сосредоточено 934 орудия, миномета и установки реактивной артиллерии. Действия войск армии поддерживала авиация 1-й воздушной армии.
Наступление было назначено на 19 августа. В связи с тем, что войска армии не успели сосредоточиться в указанном районе, срок перехода в наступление несколько раз переносился. Этим воспользовался противник, авиация которого стала наносить массированные удары по выдвигавшимся эшелонам армии и районам ее сосредоточения. Командиры частей и соединений 3-й танковой армии из-за ограниченного срока подготовки к наступлению не успели полностью отработать на местности все вопросы, связанные с организацией взаимодействия и управления войсками.