К операции предусматривалось привлечь войска четырех фронтов. Войска 1-го Прибалтийского фронта под командованием генерала И.Х. Баграмяна наступали из района северо-западнее Витебска, 3-го Белорусского фронта генерала И.Д. Черняховского – южнее Витебска на Борисов. На могилевском направлении действовал 2-й Белорусский фронт генерала Г.Ф. Захарова. Войска 1-го Белорусского фронта под командованием генерала К.К. Рокоссовского нацеливались на Бобруйск, Минск.
План операции был утвержден Верховным Главнокомандующим 30 мая. Операция получила условное название «Багратион» в честь выдающегося русского полководца, героя Отечественной войны 1812 года генерала от инфантерии Петра Ивановича Багратиона. В ночь на 31 мая были отработаны частные директивы, которые за подписью Сталина и Жукова были направлены командованию фронтов.
Для согласования действий фронтов Ставка ВГК выделила своих представителей. Так, наступление войск 1-го Прибалтийского и 3-го Белорусского фронтов координировал начальник Генерального штаба маршал Василевский, а 1-го и 2-го Белорусских фронтов – заместитель Верховного Главнокомандующего маршал Жуков. Вопросами применения военно-воздушных сил занимался представитель Ставки ВГК по авиации – командующий ВВС Красной Армии главный маршал авиации А.А. Новиков. Для эффективного использования сил и средств артиллерии в 1-й и 2-й Белорусские фронты Ставка ВГК направила начальника Главного артиллерийского управления маршала Н.Д. Яковлева, а в 3-й Белорусский и 1-й Прибалтийский фронты – командующего артиллерией Красной Армии маршала М.Н. Чистякова.
В операции «Багратион» немаловажная роль отводилась белорусским партизанам. К лету 1944 года на белорусской земле действовали 143 тыс. партизан, входивших в состав 150 партизанских бригад и 49 отдельных отрядов. В начале июня Белорусский штаб партизанского движения (БШПД) подготовил план рельсовой операции, который 7 июня был рассмотрен и утвержден ЦК Компартии Белоруссии. На следующий день все партизанские формирования и подпольные организации получили по радио от начальника БШПД П.З. Калинина указание: «Подготовиться и в ночь с 19 на 20 июня начать партизанскую рельсовую операцию». В радиограммах каждому отряду ставились совершенно конкретные задачи: какой участок железной дороги вывести из строя, сколько и где подорвать рельсов.
С середины мая командования и штабы, все воины и партизаны, привлекавшиеся к освобождению Белоруссии, развернули подготовку к наступлению. К началу операции в составе четырех фронтов было сосредоточено 2400 тыс. человек, 52 тыс. танков и САУ, 36 тыс. орудий и минометов, 5300 боевых самолетов. Советские войска превосходили противника в людях в 2 раза, в танках и самоходных (штурмовых) орудиях – в 5,8, в орудиях и минометах – в 3,8, в боевых самолетах – в 3,9 раза. Это давало уверенность в успехе, тем более, что ни в одной из предшествовавших операций ВОВ в армии не было такого количества артиллерии, танков и боевых самолетов.
Огромное внимание уделялось достижению внезапности. Для дезинформации противника фронтовым объединениям было приказано создать не менее трех оборонительных рубежей на глубину до 40 км. Населенные пункты приспосабливались к круговой обороне. Фронтовые, армейские и дивизионные газеты публиковали материалы только по оборонительной тематике, что создавало иллюзию ослабления этого стратегического направления. Военная хитрость дала свои результаты: внимание немцев в значительной степени было отвлечено от готовившегося наступления.
Перегруппировка войск проводилась при тщательной маскировке. В прифронтовой полосе части и соединения передвигались только в ночное время и небольшими группами. Ни днем, ни ночью не разрешалось разводить костры. 5-я гвардейская и 2-я танковые армии, а также часть соединений дальней авиации, которым предстояло принять участие в операции, до начала наступления в Белоруссии находились на южном крыле советско-германского фронта.