При подготовке и планировании операции генерал армии Конев доложил в Ставку ВГК краткие соображения о замысле, который был вскоре одобрен. Основная задача фронта состояла в том, чтобы разбить кировоградскую группировку противника и отрезать пути ее отхода на запад. По решению командующего 2-м Украинским фронтом главная роль в операции отводилась войскам центра фронта (53, 5 и 7-я гвардейские, 5-я гвардейская танковая армии, 5-й гвардейский и 7-й механизированные корпуса). Их действия должна была поддерживать 5-я воздушная армия.
Замысел операции заключался в том, чтобы нанести удар по сходящимся направлениям с целью окружения и уничтожения кировоградской группировки противника. При этом 5-я гвардейская армия совместно с 7-м механизированным корпусом наносила удар с севера, а 7-я гвардейская армия с 5-й гвардейской танковой армией – с юга.
В соответствии с замыслом операции войскам были поставлены следующие задачи.
53-я армия (командующий генерал И. М. Манагаров) с 5-м гвардейским механизированным корпусом (командир генерал Б. М. Скворцов) во взаимодействии с 5-й гвардейской армией (командующий генерал А. С. Жадов) должна была прорвать оборону на участке Кучеровка, Коханиевка и развивать наступление в западном направлении на Владимировку. С выходом в район Владимировки требовалось перерезать пути отхода противника на запад. Правее наступала 4-я гвардейская армия в общем направлении на Ивангород, Златополь.
5-я гвардейская армия с 7-м механизированным корпусом (командир генерал Ф. Г. Катков) сосредоточивала силы на узком фронте и наносила главный удар пятью стрелковыми дивизиями на участке Коханиевка, Суботицы в общем направлении на Грузное, обходя Кировоград с северо-запада. К исходу второго дня операции она должна была овладеть Кировоградом и выйти на рубеж Обозоновка, разъезд Лелековка, Ново-Павловка.
7-й гвардейской армии (командующий генерал М. С. Шумилов) было приказано нанести главный удар в тесном взаимодействии с 5-й гвардейской танковой армией (командующий генерал П. А. Ротмистров) в общем направлении на Плавни, Покровское, в обход Кировограда с юго-запада. К исходу второго дня операции они должны были овладеть Кировоградом и выйти на рубеж Федоровка, Юрьевка, Ингуло-Каменка.
В операции, рассчитанной на стремительность удара, особо важная роль отводилась подвижным войскам: 7-му механизированному корпусу и 5-й гвардейской танковой армии. Они получили следующие задачи. 7-й механизированный корпус к исходу первого дня наступления должен был выйти в район Грузное, разъезд Лелековка, перерезать пути, идущие к городу с запада и северо-запада, и содействовать общевойсковым соединениям в овладении Кировоградом.