5-я воздушная армия получила задачу содействовать войскам 5-й гвардейской, 7-й гвардейской и 5-й гвардейской танковой армий в прорыве обороны противника, окружении и уничтожении живой силы и техники, а также в захвате Кировограда. Ее бомбардировочный и штурмовой авиационные корпуса должны были в первый день наступления нанести удар по артиллерийским батареям, по скоплениям войск и техники противника в полосе главного удара, а в последующие дни наносить удары по очагам сопротивления и подходящим резервам противника.
Учитывая, что фронт не располагал сколько-нибудь значительным превосходством над противником, генерал армии Конев решил в полосе шириной 80 км (общий фронт наступления составлял около 230 км) сосредоточить 30 стрелковых дивизий, т. е. более 50% общего их числа, а также пять механизированных и танковых корпусов (не считая двух корпусов, находившихся в резерве фронта) – около 60% артиллерии. На участок в 55 км, что составило 25% полосы наступления, были нацелены 21 стрелковая дивизия, 4 танковых и механизированных корпуса, 40% имевшейся во фронте артиллерии. Благодаря этому 5-я гвардейская армия превосходила противника по пехоте в пять раз, по орудиям – в два и по минометам в пять раз, а 7-я гвардейская армия – по пехоте в три раза, по орудиям – в восемь и по минометам – в семь раз.
Операция готовилась в сжатые сроки. Это потребовало большого напряжения в деятельности командования, штабов и войск. Генерал армии Конев особое внимание уделил плановости подготовки операции, лично отработав календарный план работы основных отделов и управлений фронта. По его указанию штаб фронта под руководством генерала М. В. Захарова составил комплексный план контроля подготовки войск и штабов к предстоящим действиям.
При подготовке войск к операции тщательно изучался опыт, полученный в предшествующих боях. Особое внимание было уделено подготовке к боевым действиям передовых отрядов. С личным составом проводились занятия по теме «Бой ночью». Политическое управление фронта издало памятку-инструкцию по организации взаимодействия пехоты, артиллерии, танков и авиации на период атаки и боя в глубине вражеской обороны.
Немалое внимание уделялось проведению мероприятий по оперативной маскировке. Перегруппировка танков и артиллерии осуществлялась только ночью, тщательно укрывая и маскируя войска и технику в новом районе. С целью скрытия марша и района сосредоточения 5-й гвардейской танковой армии по указанию генерала армии Конева штаб армии определил районы ложного сосредоточения, разработал мероприятия по их созданию и «оживлению». В районе имитации устанавливалось около 150 макетов различных образцов техники, готовились ложные огневые позиции, склады горючего и боеприпасов. Как показали последующие события, демонстративные мероприятия по имитации направления главного удара фронта вполне себя оправдали.
Начало операции планировалось на 5 января 1944 года. В директиве, отданной генералом армии Коневым за три дня до наступления, войскам ударной группировки приказывалось:
В ночь на 4 января в полосе 5-й гвардейской армии силами батальонов, рот была проведена разведка боем. В ходе ее все командиры стрелковых дивизий и командующие артиллерией были на наблюдательных пунктах. Данные этой разведки были использованы для уточнения целей артиллерии и для постановки задач частям и подразделениям.
