В соответствии с планом операции Юго-Западному фронту предстояло нанести главный удар с плацдармов в районах Серафимович и Клетской, силами двух армий (5‐й танковой и 21‐й) прорвать оборону противника, разгромить правофланговые соединения 3‐й румынской армии и, развивая наступление в юго-восточном направлении, к исходу третьего дня выйти в район Калача и Советского, где и соединиться с войсками Сталинградского фронта, наносившими встречный удар. С целью обеспечения ударной группировки фронта с запада 1‐я гвардейская армия частью сил должна была в то же время нанести удар в юго-западном направлении, выйти на рубеж рек Кривая и Чир и создать там внешний фронт окружения. Прикрытие и поддержка войск Юго-Западного фронта с воздуха возлагались на 17‐ю и 2‐ю воздушные армии. Кроме того, здесь же намечалось использовать авиацию дальнего действия.

Перед Сталинградским фронтом ставилась задача нанести главный удар из района Сарпинских озер силами трех армий (51, 57, 64‐я), прорвать оборону 6‐го румынского армейского корпуса и разгромить его. Затем, развивая наступление на северо-запад в общем направлении на Советский, к исходу второго дня операции соединиться здесь с войсками Юго-Западного фронта и завершить окружение сталинградской группировки противника. Чтобы обеспечить действия ударной группировки с юго-запада, фронт получил приказ частью сил наступать в направлении Абганерово, Котельниково с целью создания внешнего фронта окружения. Прикрытие и поддержка ударной группировки Сталинградского фронта с воздуха возлагалась на 8‐ю воздушную армию.

Донской фронт должен был нанести удары с плацдарма в районе Клетской силами 65‐й армии и из района Качалинской – вдоль левого берега Дона – 24‐й армии по сходящимся направлениям на Вертячий с задачей окружить и уничтожить группировку противника, оборонявшуюся в малой излучине Дона. Войска фронта поддерживала 16‐я воздушная армия.

Решения, принятые командующими войсками фронтов, соответствовали тем задачам, которые поставила Ставка ВГК. Однако сложившаяся к тому времени обстановка заставила их внести некоторые изменения в первоначально намеченные направления главных ударов, уточнить участки прорыва и состав ударных группировок армий. С учетом данных разведки о состоянии обороны противника, оперативное построение фронтов было одноэшелонным, а выделенные резервы – незначительными. В своих решениях командующие войсками фронтов основной упор сделали на высокие темпы прорыва обороны противника и развитие стремительного наступления в ее оперативной глубине. Для этого силы и средства массировались на направлениях главных ударов, армиям придавались для усиления почти все подвижные соединения и основная масса артиллерии РВГК, участки прорыва назначались неширокими и были удалены друг от друга на 15–20 км.

Советскому командованию благодаря тщательной подготовке операции и хорошей маскировке удалось добиться стратегической внезапности и провести решительное массирование сил и средств на направлениях главных ударов фронтов. На участках прорыва Юго-Западного и Сталинградского фронтов, составлявших 9 % общей протяженности линии фронта, было сосредоточено 50 % и 66 % стрелковых дивизий, соответственно, 85 % артиллерии усиления, 100 % гвардейских минометных частей, все танковые и кавалерийские корпуса. В результате, при общем преимуществе группы армий «Б» в силах и средствах, на участках прорыва фронтов было создано превосходство над противником: в людях – в 2–2,5 раза, в артиллерии и танках – в 3–5 и более раз.