Подготовка операции по разгрому противника на Среднем Дону началась еще в конце ноября 1942 года под общим руководством непосредственно Ставки ВГК, а координация действий двух фронтов была возложена на ее представителя генерал-полковника артиллерии Н. Н. Воронова. Начало операции планировалось на 10 декабря.
Недостаточная пропускная способность железных дорог, нехватка автотранспорта помешали провести сосредоточение войск, техники, материальных запасов, предназначавшихся для ее проведения, к назначенному сроку. В состав 6-й армии три стрелковые дивизии, стрелковая бригада, 17-й танковый корпус, артиллерийские части и в состав Юго-Западного фронта пять стрелковых дивизий, 18, 24 и 25-й танковые и 1-й гвардейский механизированный корпуса, танковые и артиллерийские полки начали прибывать только 12 декабря. Поэтому начало операции было перенесено на 16 декабря. Предназначавшаяся для участии в операции «Сатурн» 2-я гвардейская армия (командующий генерал-лейтенант Р. Я. Малиновский) по решению Ставки была направлена на усиление войск, оборонявшихся на котельниковском направлении. В ночь с 13 на 14 декабря Ставка изменила направление главного удара Юго-Западного фронта и левого крыла Воронежского фронта с южного на Ростов на юго-восточное на Морозовск, Тормосин в тыл деблокирующей группировке противника.
Позднее, 13 декабря 1942 г., в директиве Ставки ВГК будет объяснено, что операция «Сатурн» была задумана в благоприятной для советских войск обстановке. В дальнейшем обстановка изменилась, так как наступление 5-й танковой и 3-й гвардейской общевойсковой армий затормозилось, а противник сумел подвести пехотные и танковые дивизии, и поэтому наступление на Ростов не могло достигнуть успеха. И конечно же, начавшееся 12 декабря наступление немецких войск на котельниковском направлении. Именно эти причины заставили Ставку изменить направление главного удара на Нижний Астахов, Морозовский и уменьшить ее глубину. Операция стала называться «Малый Сатурн». В ходе ее войска Юго-Западного фронта должны были ликвидировать боковско-морозовскую группировку противника и овладеть рубежом Миллерово, Тацинская, Морозовск; войска 6-й армии и 17-й танковый корпус должны выйти на рубеж Кантемировки и прикрыть главную группировку от удара противника с запада.
Главный удар должна была нанести 1-я гвардейская армия с осетровского плацдарма в направлении Тацинская, Морозовск, а частью сил — на Верхне-Чирский; второй — из района Боковский на Верхне-Чирский и на Болынанку, навстречу главной ударной группировке фронта наносила удар 3-я гвардейская армия.
5-я танковая армия имела задачу во взаимодействии с 5-й ударной армией (командующий генерал М. М. Попов) Сталинградского фронта разгромить нижнечирскую группировку противника, а затем нанести удары в направлениях Морозовск и Тормосин. Тем самым ей предстояло обеспечить действия ударных группировок фронта с юго-востока (ЦАМО, Ф. 229, оп. 590, д. 2, л. 100–101).
6-й армии (командующий генерал-лейтенант Ф. М. Харитонов) Воронежского фронта, наступавшей из района юго-западнее Верхний Мамон в общем направлении на Кантемировку, предстояло на четвертый день операции овладеть рубежом Новая Калитва, Никольская, что должно было надежно обеспечить действия главной ударной группировки Юго-Западного фронта от удара с запада. Для решения поставленных задач ей выделялось до 50 % всех сил Воронежского фронта, в том числе все танковые войска.
Ближайшая задача Юго-Западного фронта, на решение которой отводилось три-четыре дня, заключалась в прорыве обороны противника, окружении основных сил его группировки на Среднем Дону и выход подвижными соединениями в тыл войскам левого крыла группы армий «Дон». Основная роль в достижении успеха операции отводилась танковым и механизированным корпусам, которые придавались общевойсковым армиям. Использовались они на направлениях главных ударов этих армий. По замыслу командующих войсками фронтов, в первый же день операции в сражение намечалось ввести три танковых корпуса, а на второй — еще один танковый и один механизированный корпуса. Подвижные соединения должны были овладеть указанными им районами на второй-четвертый день операции. Предполагалось, что к исходу шестого дня наступления стрелковые соединения выйдут на рубеж Ново-Марковка, Тацинская, Морозовск.
Оперативное построение армий, за исключением 5-й танковой, было в два эшелона. Каждая из них, действуя на главном направлении, имела подвижную группу. В 1-й гвардейской армии это были три танковых корпуса (18, 24 и 25-й), в 6-й армии — 17-й танковый корпус, в 3-й гвардейской армии — 1-й гвардейский механизированный корпус. Во второй эшелон выделялось по одной стрелковой дивизии. Кроме того, в каждой армии создавались артиллерийская, зенитная артиллерийская группы, группы гвардейских минометных частей, резервы различного назначения и группировка авиации.
Одной из важнейших особенностей подготовки операции «Малый Сатурн» являлось то, что советское командование умело и решительно массировало основные силы и средства на направлениях главных ударов. Так, командующий 6-й армией, растянув на 18-километровом фронте лишь одну стрелковую дивизию, на участке прорыва шириной всего 9 км сосредоточил четыре стрелковые дивизии, 17-й танковый корпус, танковую бригаду, два танковых и восемь артиллерийских полков. Это позволило иметь на 1 км участка прорыва довольно высокие плотности: ширина полос дивизий 2,25 км; танков непосредственной поддержки пехоты — 12, орудий и минометов — 62. С учетом того, что танковый корпус должен был вводиться при завершении прорыва тактической зоны обороны, плотность танков достигала 31,6 на 1 км (Великая победа на Волге. — М.: Воениздат, 1965. — С. 323).
На 18-километровом участке прорыва 1-й гвардейской армии находилось пять стрелковых дивизий и три танковых корпуса, а на остальном 127-километровом фронте оставались только две стрелковые дивизии. Плотности на участке прорыва составляли дивизия на 3,5 км, танков непосредственной поддержки 6, а с учетом танковых корпусов 33 на 1 км, орудий и минометов до 75.
В 3-й гвардейской армии плотности достигали стрелковая дивизия на 3 км, орудий и минометов до 70, танков НПП 7–8, а с учетом 1-го гвардейского механизированного корпуса — 18 на километр участка прорыва.
Благодаря сосредоточению сил и средств на главных направлениях удалось создать мощные ударные группировки, что позволило достигнуть двойного, а на отдельных участках даже тройного превосходства над противником.
ПЛОТНОСТИ И СООТНОШЕНИЕ СИЛ И СРЕДСТВ НА УЧАСТКАХ ПРОРЫВА АРМИЙ
| Советские войска | Силы и средства | Войска противника | Соотношение | ||
| Всего | на 1 км | Всего | на 1 км | ||
| На 9-километровом участке прорыва 6-й армии | |||||
| 27 | 3 | Батальоны | 8 | 0,9 | 3,3:1 |
| 562 | 62 | Орудия и минометы (калибра 75 мм и крупнее) | 171 | 19 | 3,3:1 |
| 283 | 31,6 | Танки | 250 | 27,5 | 1,1:1 |
| На 16-километровом участке прорыва 1-й гвардейской армии | |||||
| 33 | 2 | Батальоны | 21 | 1,2 | 1,65:1 |
| 755 | 47 | Орудия и минометы (калибра 75 мм и крупнее) | 342 | 19 | 2,2:1 |
| 523 | 33 | Танки | 250 | 16 | 2:1 |
| На 13-километровом участке прорыва 3-й гвардейской армии | |||||
| 36 | 2,7 | Батальоны | 9 | 0,6 | 4:1 |
| 762 | 51 | Орудия и минометы (калибра 75 мм и крупнее) | 275 | 18,3 | 2,8:1 |
| 234 | 18 | Танки | 100 | 7,8 | 2,3:1 |
Подготовка войск для предстоявшего наступления была завершена к 15 декабря. Танковые корпуса, переправившись через Дон в ночь перед наступлением, изготовились в исходных районах, которые находились в 7–10 км от переднего края.
Большое внимание было уделено разведке. Особенно активно она велась в дни, предшествовавшие наступлению. С 11 по 15 декабря во всех армиях проводилась разведка боем с привлечением в каждой дивизии от усиленной стрелковой роты до трех батальонов. Подразделения в основном выполнили поставленные перед ними задачи. Правда, с переходом войск в наступление обнаружилось, что на отдельных участках система огня противника, а также глубина его минных заграждений были выявлены недостаточно полно, да и оборона на ряде направлений оказалась значительно глубже, чем предполагалось. Не удалось вскрыть полностью и противостоящую группировку. В частности, разведка своевременно не установила прибытие в полосу 6-й армии 385-й немецкой пехотной дивизии. Все это, безусловно, затруднило прорыв вражеской обороны.
Наступление войск Юго-Западного фронта и 6-й армии Воронежского фронта началось ранним утром 16 декабря. В 8 часов утра на противника обрушился мощный артиллерийский огонь. Полуторачасовая артиллерийская подготовка проводилась в густом тумане, стрельба велась по площадям. Самолеты до середины дня в воздух подняться не могли. Подавить полностью систему огня противника в таких условиях было просто невозможно, что сказалось затем на ходе ведения наступления. В 9 часов 30 минут соединения 1-й гвардейской и 6-й армий перешли в наступление. По льду и наведенным переправам стрелковые дивизии форсировали Дон и вместе с соединениями, действовавшими с осетровского плацдарма, на широком фронте ворвались на передний край врага. При этом войскам, наступавшим из-за Дона, по глубоким сугробам пришлось преодолеть отлогий и высокий правый берег реки. К тому же атаковавшим войскам пришлось встретиться с довольно мощным огневым противодействием противника.
После трехчасового боя стрелковые соединения 6-й армии вклинились в оборону на 2–3 км. Однако развить наметившийся успех командующий армией не смог, так как 17-й танковый корпус (командир генерал П. П. Полубояров) находился на осетровском плацдарме в готовности войти в прорыв в полосе 1-й гвардейской армии. Между тем обстановка на участке прорыва этой армии складывалась неблагоприятно. Дело в том, что наступавшие в центре ее ударной группировки 41-я (командир генерал-майор Н. П. Иванов) и 44-я (командир генерал-майор В. А. Куприянов) гвардейские стрелковые дивизии встретили упорное сопротивление противника и к середине дня сумели вклиниться в его оборону всего на 300–400 м, да и то лишь на отдельных участках. За это время на флангах ударной группировки армии продвижение составило 1,5–2 км.