9月28日，叶廖缅科的东南方面军改称斯大林格勒方面军，方面军的边界从雷诺克的北部郊区，沿着伏尔加河，穿过斯大林格勒市以及城市南部，直至萨尔帕湖。戈尔多夫中将的斯大林格勒方面军改称顿河方面军，并由罗科索夫斯基指挥。瓦杜丁中将指挥的新组建的西南方面军部署在顿河中游和绥拉菲摩维奇桥头堡，目的是对付罗马尼亚第3集团军。苏军对西南方面军的存在始终高度保密。10月初，苏联最高统帅部向瓦杜丁、罗科索夫斯基和叶廖缅科下达了统帅部的作战意图。10月6―9日，“天王星”军事行动的基本框架构建完毕，其作战目的是包围和歼灭斯大林格勒地区的德军。苏军的装甲部队将兵分两路发动进攻，一路从北部向东南方向推进，一路从斯大林格勒的南部出发，向西北方向推进，两路人马将在顿河河畔的卡拉奇会合，将德军包围在伏尔加河畔。此次行动的目标直指斯大林格勒西北和南部的罗马尼亚第3集团军和第4集团军，同时，顿河方面军将牵制并向克列茨卡亚东部第6集团军的左翼发动进攻。西南方面军担负北部的主要突击行动，该方面军由列柳申科的近卫第1集团军、罗曼年科的第5坦克集团军和克里斯蒂亚科夫的第21集团军组成，总兵力万余人。西南方面军的进攻计划如下：近卫第1集团军右翼将阻击意大利第8集团军，以防后者阻碍西南方面军右翼向南部推进。在西南方面军的左翼，在顿河方面军第65集团军的支援下，第21集团军将向罗马尼亚第3集团军右翼发动进攻。在中部，第5坦克集团军将穿越罗马尼亚军队防线，直插第6集团军后方，与来自斯大林格勒南部的苏军会合，将最初的战术胜利转变成为战役胜利。第5坦克集团军实力强大，包括布特科夫少将的第1坦克军和罗丁少将的第26坦克军，6个步兵师和8个骑兵军为其提供支援。第21集团军下属第4坦克军将与第5坦克集团军协同作战，确保消灭罗马尼亚军队。根据计划，纵深作战行动占据绝对优先权，坦克军将避免与敌人发生战术性的小规模冲突。为了占据包围圈的外围，西南方面军的右翼将在奇尔河建立一条防线。斯捷潘诺夫少将的第17空军集团军将从空中为西南方面军提供支援。

西南方面军左翼是罗科索夫斯基的顿河方面军，该方面军将从克列茨卡亚和顿河―伏尔加河陆桥一线发动进攻。在右侧，巴托夫少将的第65集团军将与克里斯蒂亚科夫的第21集团军协同，切断罗马尼亚第3集团军与德军第11军之间的联系。一旦完成上述任务，第65集团军的左翼将与加里宁少将的第24集团军在韦尔佳奇会合，包围德军第11军。然而，摧毁德军第11军并非顿河方面军进攻的主要目标，因为顿河方面军不仅没有足够的兵力，而且苏军在1942年9月和10月期间还不具备突破德军在斯大林格勒北方防线的能力。顿河方面军第65、第24和第66集团军的主要目标是阻止德军干扰西南方面军的行动。鲁坚科少将的第16空军集团军将提供空中支援。斯大林格勒方面军南侧的进攻行动将由第64、57和51集团军负责实施。距斯大林格勒市最近的第64集团军将把德军第4军牵制在斯大林格勒市内。在其左侧，第57集团军和在更南部部署的第51集团军将突破罗马尼亚第6军的防线。一旦形成突破，第57集团军下属第13坦克军将与第51集团军所属第4机械化军协同，向西北方向发动进攻，进一步扩大战果，推进至卡拉奇地区。第51集团军下属第4哥萨克骑兵军，将与3个步兵师（第126、302和91师）一道，在科捷利尼科沃向西南方向机动，以形成外围环形防线。进攻的日期暂定为：北部11月9日，南部11月10日，南北部选定的时间不同与西南方面军和斯大林格勒方面军相应行程的不同有关，两大方面军分别需要推进大约128公里和97公里。

虽然德军对“天王星”行动并不感到十分意外，但他们仍被此次行动的规模之大、攻势之猛烈以及苏军的勃勃野心所震惊。德军之所以缺乏准备，存在几种解释，其中之一便是苏联的“伪装作战”，它是一种旨在掩饰苏联进攻规模、时间和方向的伪装、假情报和欺骗方法。苏联最高统帅部深知，打算完全掩盖进攻意图是根本不可能的，但是，伪装作战所取得的成功被德军总参谋长蔡茨勒上将所证实。1942年11月28日，苏联最高统帅部提出，“在苏军准备发动进攻的过程中，必须要精心隐蔽所有参与进攻的军队，特别是坦克部队。”此次大规模的军事行动要求在两个月之内准备105万人、万门大炮和894辆坦克，准备过程中要掩盖苏军的真正意图。需要在伏尔加河上修建许多渡河大桥，同时，信号兵必须在夜晚行军过程中操作信号灯指挥单线铁路的交通运输，每12分钟将有一列火车从铁路线上通过。诺维科夫指挥的空军部队将阻击德国空军的持续侦察以及对铁路交通的系统性封锁。苏军在夜晚调动以及昼间伪装过程中都实施严格的无线电静默，与此同时，苏军还专门组建虚假的无线电网络，以此来误导德军或打消德军的疑虑。苏军的指挥官们都一直对行动的真正意图一无所知，直至11月初，军队在进攻前夜才接到命令。为了加强行动的保密性，苏军禁止下达书面命令。无论在何种情况下，指令都尽可能地通过口头简报和地图演示的方式来传达。尽管苏军在其伪装作战中取得广泛的成功，但是德军还是得到了一些关于苏军即将发动进攻的警告。