Потери советских вооруженных сил нам неизвестны. 3-я танковая армия потеряла убитыми и ранеными около 10 тысяч человек и безвозвратно 58 танков, еще около 200 боевых машин выбыло из строя по причине боевых повреждений и поломок. Дивизии 40-й армии, как сообщает генерал Москаленко, «понесли весьма незначительные потери, сохранили боевую мощь и наступательный порыв».
После Острогожско-Россошанской операции в обороне противника образовалась 250-километровая брешь, были созданы благоприятные условия для нанесения удара по флангу и в тыл 2-й немецкой армии, оборонявшейся в районе Воронежа. Эта армия оказалась в выступе, глубоко вдававшемся на восток в расположение советских войск. С севера над ним нависали две армии Брянского фронта, которым командовал генерал-лейтенант М.А. Рейтер, с юга охватывала 40-я армия Воронежского фронта. В почти готовом «мешке» находились 10 немецких и 2 венгерские дивизии – 125 000 человек, 2100 орудий и минометов, 65 танков. Решение напрашивалось само собой. Сил тоже должно было хватить: неиспользованными оставались припоздавшие 4-й танковый корпус, три стрелковые дивизии и три лыжные бригады.
Уже вечером 18 января «товарищ Михайлов», он же Василевский, и «товарищ Филиппов», он же Голиков, направили Верховному Главнокомандующему план новой наступательной операции, предусматривавшей ударами с севера и юга по флангам 2-й немецкой армии окружить и уничтожить ее основные силы, освободить район Воронеж – Касторное и создать благоприятные условия для дальнейшего продвижения на курском и харьковском направлениях. Сталину план понравился, он обещал подбросить дополнительно танки и артиллерию.
Главные удары должны были нанести 40-я армия Москаленко и 13-я армия Брянского фронта, которой командовал один из лучших командармов той войны генерал-майор Н.П. Пухов. Одновременно силами 38-й армии генерал-лейтенанта Н.Е. Чибисова с северо-востока и 60-й армии генерал-майора И.Д. Черняховского с востока планировалось расчленить группировку противника на отдельные части. Действия сухопутных войск поддерживали 527 самолетов 15-й и 2-й воздушных армий. По завершении операции предусматривалось к 30 января развернуть на реках Оскол и Тим основные силы Воронежского фронта и без паузы нанести ими три удара по сходящимся направлениям на Харьков и удар правым крылом на Курск.
В ходе перегруппировки сил генерал Москаленко передал Черняховскому правофланговый участок 40-й армии вместе с 141-й стрелковой дивизией, 253-й стрелковой, 86-й и 150-й танковыми бригадами. Взамен получил под свою руку 183, 309-ю стрелковые дивизии, 129-й стрелковую, 4, 6, 8-ю лыжные бригады и 4-й танковый корпус генерал-майора А.Г. Кравченко.
Первой в полдень 24 января перешла