| M3 средний | 34 | Состояла из 416-го и 417-го танковых батальонов | |
| M3 легкий | 16 | ||
| 262-й танковый полк на 12.01.1943 года) | KB-1С | 21 | — |
* Без учета бронетанковых соединений 3-й танковой армии, а также частей, оперативно ей подчиненных на время операций (173-й и 201-й, а также, возможно, 179-й отдельной танковой бригады).
Решающую роль в проведении Острогожско-Россошанской наступательной операции отводилась 3-й танковой армии генерала П. С. Рыбалко. Она состояла из 12-го (30, 97, 106 тбр; 13-я мотострелковая бригада, 31-я инженерно-минная рота, 6-й разведбатальон, 88-я и 93-я подвижные рембазы) и 15-го (88, 113, 195 тбр; 52-я мотострелковая бригада, 5-й разведбатальон, 71-я и 96-я подвижные рембазы) танковых корпусов и 39-го разведывательного бронебатальона. Перед наступлением дополнительно в состав армии были включены 7-й кавалерийский корпус с 201-й танковой бригадой, 180-я и 184-я стрелковые дивизии, 173-я отдельная танковая бригада, 8-я артиллерийская дивизия, 15-я и 16-я гвардейские минометные бригады, 97-й гвардейский минометный полк, 46-й и 47-й инженерные батальоны резерва Ставки ВГК.
По штату в тяжелой танковой бригаде танковой армии насчитывалось 24 тяжелых танка KB и 27 легких танков Т-60/Т-70 (на 13 января 1943 года в 3-й танковой армии была только одна 97-я тяжелая танковая бригада 12-го танкового корпуса. —
Армия имела задачу, наступая в 30-километровой полосе (от Пасеково до Ясиноватой), ударом главных сил из района северо-западнее Кантемировки прорвать на 10-километровом участке оборону 24-го танкового корпуса противника и развивать наступление в северо-западном направлении. К исходу четвертого дня наступления армия должна была танковыми корпусами выйти на рубеж Каменка, Алексеевка, где соединиться с войсками 40-й армии и 18-го стрелкового корпуса, наступающих с северо-востока, окружить и уничтожить острогожско-россошанскую группировку противника, а 7-м кавалерийским корпусом развить успех в западном направлении, овладеть Валуйками и Уразово и перерезать железную дорогу Касторная — Купянск. Глубина задачи армии составляла 150 км, среднесуточный темп наступления танковых корпусов — 40 км, а стрелковых дивизий — 20 км.
Для поддержки боевых действий армии выделялись 227-я штурмовая и 205-я истребительная авиационные дивизии, 646-й и 715-й ночные авиационные полки (У-2) 2-й воздушной армии.
В течение 5 января командарм генерал П. С. Рыбалко с командирами танковых корпусов, стрелковых дивизий, начальниками родов войск и офицерами штаба армии производил рекогносцировку местности. Командарм решил прорвать оборону противника тремя стрелковыми дивизиями и стрелковой бригадой, усиленными танками непосредственной поддержки пехоты и артиллерией, а танковые корпуса и кавалерийский корпус использовать для развития успеха. Учитывая, что в полосе наступления армии оборона противника была недостаточно развитой и ее глубина не превышала 4 км, танковые корпуса планировалось ввести в сражение после продвижения стрелковых дивизий на глубину до 3 км.
В центре наступали 180-я и 48-я гвардейская стрелковые дивизии, а на флангах — 37-я стрелковая бригада и 184-я стрелковая дивизия со средствами усиления. При этом 180-я дивизия получила на усиление 173-ю отдельную танковую бригаду, 184-я дивизия — 179-ю отдельную танковую бригаду, а 48-я гвардейская стрелковая дивизия — 97-ю танковую бригаду 12-го танкового корпуса.
12-й танковый корпус, усиленный 172-м истребительно-противотанковым артиллерийским и 319-м зенитно-артиллерийским полками, а также 40-м инженерным батальоном, получил задачу войти в прорыв на стыке 48-й гвардейской и 180-й стрелковых дивизий, к исходу дня овладеть Россошью и Лизиновкой и в дальнейшем наступать на Каменку. 15-й танковый корпус, усиленный 368-м истребительно-противотанковым артиллерийским полком, 71-м зенитно-артиллерийским полком и 47-м инженерным батальоном, должен был пойти в прорыв на стыке 48-й и 184-й дивизий, к исходу дня овладеть Екатериновкой и в дальнейшем наступать на Варваровку и Алексеевку.
В армейской артиллерийской группе (тогда она называлась «группа дальнего действия») находились 38-й и 129-й пушечные полки 8-й артиллерийской дивизии прорыва, а в минометной группе — 15-я и 16-я гвардейские минометные бригады.
В середине дня 6 января в штаб танковой армии, находившийся в Кантемировке, прибыли заместитель Верховного Главнокомандующего генерал армии Г. К. Жуков, начальник Генерального штаба Красной Армии генерал-полковник A. M. Василевский и командующий Воронежским фронтом генерал- лейтенант Ф. И. Голиков. Командарм доложил свое решение на операцию, а командиры соединений о состоянии войск и ходе подготовки к наступлению. Наступление намечалось на 12 января. Однако в связи с задержкой перегруппировки войск по железной дороге оно было перенесено на 14 января.
Стояла суровая зима. Лютые морозы сопровождались частыми снегопадами и сильными метелями. В отдельных местах толщина снега была больше метра. Поэтому 130–170-километровый марш от станции разгрузки до Кантемировки войскам армии дался нелегко. Особенно труден он был для стрелковых войск и мотопехоты, которые шли пешком, так как все автомашины были брошены на подвоз боеприпасов, горючего и продовольствия.
К моменту прибытия танковой армии на станции разгрузки в ее составе (с приданными ей 173-й и 201 -й танковыми бригадами) насчитывалось 493 танка, а в район Кантемировки к исходу 13 января прибыл только 371 танк. Остальные же 122 танка остались в пути из-за технических неисправностей. Большая часть из них была из 15-го танкового корпуса, и в первую очередь из 113-й и 195-й танковых бригад. Объяснялось это тем, что, планируя наступление Воронежского фронта, Ставка ВГК вначале решила усилить его только 12-м танковым корпусом армии, приказав командующему танковой армией полностью укомплектовать его личным составом и боевой техникой до штата за счет 15-го танкового корпуса. При этом было приказано все танки 12-го танкового корпуса, имевшие наибольший запас моточасов, передать 15-му танковому корпусу, а из 15-го корпуса передать 12-му танковому корпусу новые танки. Это и было сделано за счет 113-й и 195-й танковых бригад. Но вскоре было принято решение привлечь к проведению операции всю танковую армию. Поэтому перегруппировка 15-го танкового корпуса началась значительно позже 12-го танкового корпуса и он имел значительно меньше времени для подготовки к наступлению. Причем 113-я и 195-я танковые бригады прибыли в район сосредоточения только к исходу 12 января, имея в строю по 10–12 танков, остальные стояли в пути из-за технических неисправностей. По приказу командующего армией все исправные танки этих бригад были переданы 88-й танковой бригаде корпуса, а бригады выведены в армейский резерв с задачей организовать сбор и ремонт отставших танков. Таким образом, 15-й танковый корпус вынужден был начинать боевые действия без двух танковых бригад, имея в строю только 74 танка. Из-за задержки перегруппировки тылов не хватало горючего и боеприпасов.
В течение 7–13 января во всех войсковых звеньях шла работа по подготовке к наступлению. 8 января стрелковые дивизии армии приступали к разведке боем обороны противника, выделив для этого по одному усиленному стрелковому батальону. Для достижения скрытности наступления им была присвоена нумерация батальонов оборонявшейся здесь 350-й стрелковой дивизии 6-й армии, которая прикрывала сосредоточение
