К созданию обороны по правому берегу Дона и севернее Воронежа войска вермахта приступили еще летом 1942 года. Однако в инженерном отношении ее успели оборудовать лишь на тактическую глубину. В оперативной глубине заблаговременно подготовленных рубежей и позиций германское командование не имело. Наиболее прочную оборону оно подготовило в районах сторожевского и щучьенского плацдармов, особо укрепив высоты и населенные пункты, большое количество огневых средств было сосредоточено в главной полосе обороны. Намного слабее оказалась она к югу от Кантемировки, в полосе предстоявшего наступления 6-й армии Юго-Западного фронта. Выгодное оперативное положение, которое занимали советские войска на этом направлении, отсутствие заблаговременно подготовленных позиций и рубежей, сплошных сильных противотанковых заграждений, равномерное расположение сил противника по фронту, незначительная глубина полос, а главное — низкая устойчивость находившихся здесь венгерских и итальянских войск позволяли советскому командованию рассчитывать на быстрый прорыв обороны и развитие наступления в северо-западном направлении, в тыл основных сил группы армий «Б».

Исходя из оценки соотношения сил и средств, Ставка ВГК приняла решение разгромить противника по частям: сначала его войска в районе Острогожска в Россоши, а затем группировку, действовавшую в районе Воронежа и Касторное. В дальнейшем планировалось развивать наступление непосредственно на Курск и Харьков. Выбор острогожско-россошанской группировки вермахта в качестве объекта первоначального воздействия был обусловлен тем, что она по сравнению с другими была менее боеспособной. После ее уничтожения войска Воронежского фронта должны были охватить с юга воронежско-касторненскую группировку и тем самым создать благоприятные условия для ее окружения и разгрома. В дальнейшем это давало возможность развивать наступление непосредственно на Харьков.

Подготовка к операции началась еще 23 ноября 1942 года, в день завершения окружения армии Паулюса под Сталинградом, когда командующий 40-й армией генерал К. С. Москаленко (принял армию в октябре от генерал-майора Ф. Ф. Жмаченко, который в связи с этим возвратился к исполнению своих прямых обязанностей заместителя командующего армией) обратился к Верховному главнокомандующему с просьбой разрешить начать боевые действия на Верхнем Дону. Сталина это предложение очень заинтересовало. Несколько дней спустя он направил в 40-ю армию представителя Ставки ВГК генерала армии Г. К. Жукова, который вначале был настроен весьма скептически. Но, побывав на командном пункте армии, а затем и на сторожевском плацдарме в расположении 25-й гвардейской и 107-й стрелковых дивизий, в конце концов заявил: «Обо всем увиденном и услышанном во время пребывания в 40-й армии доложу Верховному Главнокомандующему. Предложение о проведении наступательной операции поддержу».

К тому времени в 40-ю армию входили четыре стрелковые дивизии — 100, 159, 206, 141-я, одна танковая бригада (14-я), две истребительные бригады и ряд артиллерийских и минометных полков усиления. При таком составе армии ее оборона на 60-километровом фронте, естественно, была вытянута в одну линию, не имела глубины. Однако уже в начале ноября 1942 года в положении армии произошли некоторые перемены. По приказанию нового командующего фронтом генерал-лейтенанта Ф. И. Голикова (он сменил Н. Ф. Ватутина на этом посту 22 октября) участок фронта от северо-восточной окраины Воронежа до населенного пункта Кременчуг был передан соседу справа — 60-й армии вместе с оборонявшими этот участок войсками — 100, 159-й и 206-й стрелковыми дивизиями. 40-й же армии слева была прирезана часть полосы 6-й армии, в том числе и так называемый сторожевский плацдарм, который сыграл впоследствии важную роль при нанесении главного удара в Острогожско-Россошанской операции.

Сторожевский плацдарм находился на западном берегу Дона в 25 км севернее города Коротояк и представлял собою территорию размером 13 км по фронту и 8 км в глубину. Здесь были расположены населенные пункты Титчиха, Селявное, восточная часть села Сторожевое 1-е и Урыво-Покровское. Их освободили при захвате плацдарма еще в конце июля 25-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора П. М. Шафаренко и другие войска 6-й армии. С передачей К. С. Москаленко сторожевского и — южнее — урывского плацдармов в 40-ю армию вошли и оборонявшие его войска, в том числе и гвардейцы генерала П. М. Шафаренко, а также 107-я стрелковая дивизия, которой командовал полковник П. М. Бежко.

В полосе обороны 40-й армии имелись и другие плацдармы, например в районе Александровки, Архангельского, хутора Черпецкого. Но они были незначительны по площади и давали лишь небольшое позиционное преимущество. Сторожевский же плацдарм, находясь в руках советских частей, представлял для немецкого командования оперативно-тактическую угрозу. Поэтому после многократных бесплодных попыток ликвидировать его германское командование вынуждено было держать здесь в обороне более двух пехотных дивизий.

Большую часть противостоявших 40-й армии войск составляла 2-я венгерская армия (6, 7, 9, 10, 12, 13, 19, 20, 23-я пехотные дивизии, лыжные батальоны 8-й и 22-й кавалерийских дивизий и 1-й бронетанковой венгерской дивизии), а в ее рядах было много солдат и офицеров, не желавших воевать за интересы Германии, и это в известной мере облегчало решение задачи.

К тому времени Венгрия, втянутая своим правительством в войну на стороне Германии, уже понесла тяжелые потери на советско-германском фронте. Только в период с октября 1941 года по сентябрь 1942 года были почти полностью уничтожены 102, 108-я и 109-я венгерские пехотные дивизии, а четыре другие — 6, 7, 9-я и 20-я — потеряли около половины личного состава.