Изложенные в докладе соображения Главного командования Юго–Западного направления о плане наступательных действий фронтов были одобрены Ставкой ВГК. Юго–Западный и Южный фронты получили пополнение в лице стрелковых и кавалерийских дивизий формирования осени 1941 г.
Замысел Барвенково–Лозовской операции сводился к тому, чтобы ударом войск смежных крыльев Юго–Западного и Южного фронтов прорвать оборону противника на стыке 6–й и 17–й армий между Балаклеей и Артемовском и, развивая наступление в общем направлении за Запорожье, одновременно выйти в тыл донбасско–таганрогской группировки противника, прижать ее основные силы к побережью Азовского моря и отрезать ей пути отхода на запад. Одновременно имелось в виду частью сил левого крыла Юго–Западного фронта нанести удар в общем направлении на Красноград с целью обеспечения операции с севера и с перспективой последующего овладения Харьковом с юга. К операции привлекались 6–я армия Юго–Западного фронта (шесть стрелковых дивизий, три кавалерийские дивизии, три танковые бригады) и 57, 37, 12, 18, 56 и 9–я армии Южного фронта (30 стрелковых дивизий, 4 стрелковые бригады, 9 танковых бригад, 15 кавалерийских дивизий, 19 артиллерийских полков РГК). На направлении главного удара должны были действовать 6–я армия Юго–Западного фронта, 57–я и 37–я армии Южного фронта — всего 18 стрелковых дивизий, 12 кавалерийских дивизий, 10 танковых бригад и 14 артиллерийских полков РГК.
Задачи фронтов детализировались оперативными директивами штаба Юго–Западного направления № 02/оп от 29 декабря и № 03/оп от 6 января 1942 г. Южный фронт силами 57–й и 37–й армий должен был с рубежа (иск.) Изюм — Нырково (30 км южнее Лисичанска) прорвать оборону LII и XI армейских корпусов 17–й немецкой армии и развить наступление по двум расходящимся операционным направлениям. Соответственно 57–я армия генерал–лейтенанта Д. И. Рябышева должна была наступать через Барвенково на Павлоград в направлении Днепра, 37–я армия генерал–лейтенанта А. И. Лопатина — через Красноармейское на Большой Токмак в тыл донбасской группировки противника. Эшелон развития успеха составляли вводимые в стыке между этими армиями два кавалерийских корпуса (1–й и 5–й) и переброшенная с левого крыла фронта в район Сватова 9–я армия (до ввода в сражение составляла резерв Главнокомандующего направлением). Задачей двух кавалерийских корпусов и 9–й армии было наступление в направлении на Запорожье. Конечной задачей кавалеристов, 57–й и 9–й армий был выход на р. Днепр и захват переправ у Днепропетровска и Запорожья. Вспомогательный удар в направлении на Дзержинск с целью обеспечения действий ударной группировки фронта с юга должна была нанести 12–я армия генерал–майора К. А. Коротеева. Остальные армии Южного фронта наступательных задач не получали и должны были оборонять занимаемые рубежи.
Юго–Западный фронт главный удар наносил силами 6–й армии генерал–майора А. М. Городнянского и 6–го кавалерийского корпуса генерал–майора А. Ф. Бычковского (26, 28, 49–я кавалерийские дивизии и 5–я гвардейская танковая бригада) в общем направлении на Красноград с целью обеспечения действий ударной группировки Южного фронта с северо–запада. Одновременно армии А. М. Городнянского ставилась задача овладения Харьковом во взаимодействии с 38–й армией генерал–майора А. Г. Маслова.
Начало наступления войск обоих фронтов было назначено на 12 января. В первые десять дней января шла перегруппировка войск для предстоящего наступления. 6–я армия производила перегруппировку с 5 по 12 января. Две стрелковые и одна кавалерийская дивизии выбыли из ее состава вместе со своими участками обороны. Полоса армии после этого уменьшилась до 55 км. Традиционно для ударных группировок зимней кампании 1941/42 г. в состав армии прибыли три дивизии формирования осени 1941 г. Таким образом численность армии возросла до шести стрелковых дивизий: 253, 270, 337, 343, 393 и 411–я. Командовали ими соответственно комбриг А. А. Неборак, полковники З. Ю. Кутлин, С. М. Бушев, П. П. Чувашев, И. Д. Зиновьев, М. А. Песочин. В состав армии также вошли 7–я танковая бригада полковника И. А. Юрченко и 13–я подполковника А. И. Казакова (19 января его сменил подполковник И. Т. Клименчук). Общая численность войск 6–й армии на 1 января 1942 г. составляла 38 336 человек (средняя укомплектованность дивизии 6897 человек) при 531 орудиях и минометах. Орудий калибром 105 мм и выше было только 111. В четырех танковых бригадах фронтового подчинения было всего 22 танка.
Левый сосед 6–й армии, 57–я армия Южного фронта под командованием одного из главных участников дубненских боев Д. И. Рябышева, была одним из детищ «перманентной мобилизации». Подобно 1–й ударной, 20–й и 10–й армиям она полностью состояла из «трехсотых» дивизий формирования осени 1941 г. Ее можно условно назвать «сталинградской», поскольку большая часть ее соединений формировалась в районе Сталинграда. Так, 341–я стрелковая дивизия полковника А. И. Щагина формировалась в самом Сталинграде, 351, 335 и 333–я дивизии — в Сталинградской области. 349–я стрелковая дивизия генерал–майора Ф. В. Брайляна формировалась в Астрахани. 60–я кавалерийская дивизия формировалась на Дону, 79–я кавалерийская дивизия — в Средней Азии. Формирование 57–й армии началось еще в октябре 1941 г., когда снятый за окружение под Мелитополем Д. И. Рябышев был назначен командующим еще не существовавшего объединения. В декабре начались перевозки 57–й армии из Сталинградской области в полосу Южного фронта, где 153 эшелона армии были выгружены к 28 декабря 1941 г. После выгрузки свежесформированные дивизии пешим маршем по заснеженным полям через метели и обжигающие 25—30–градусным морозом ветра шли навстречу крещению огнем. Они еще не знали, что в наступающем 1942 г. война докатится до их родных мест и бои за город Сталинград станут одним из символов Второй мировой войны. Оружие соединения получали или непосредственно перед отправлением, или уже в местах выгрузки. По прибытии на позиции 57–я армия отдала 337–ю стрелковую дивизию 6–й армии, а взамен получила 255–ю стрелковую дивизию формирования лета 1941 г. Таким образом, к началу наступления в армии числились 341, 351, 255, 335, 333 и 349–я стрелковые дивизии, 6, 12 и 130–я танковые бригады, четыре артиллерийских полка и три дивизиона PC. Общая численность войск 57–й армии составляла 74 190 человек (при средней комплектности стрелковой дивизии 10 971 человек) при 702 орудиях и минометах. Танковая бригада 57–й армии была укомплектована по штату — 46 танков. Менее многочисленными были остальные армии ударной группировки Южного фронта. 37–я армия насчитывала 30 846 человек (при средней комплектности дивизии 5313 человек), 9–я — 29 046 человек (6260 человек).
После перегруппировки войск Юго–Западного и Южного фронтов в соответствии с планом операции сложилось следующее соотношение сил на основных участках фронта:
1) 6–й армии Юго–Западного фронта на 55–километровом участке фронта противостояли части 295–й пехотной дивизии противника.
2) 57–й и 37–й армиям на 115–километровом участке фронта противостояли 68, 257 и 298–я пехотные и 98–я легкопехотная дивизии.
Артиллерийская плотность и насыщение наступающих войск танками были довольно низкими. На участках прорыва армий была создана плотность до 11 орудий среднего и крупного калибра и 5—7 танков на 1 км фронта при общей плотности в полосах этих армий до 3,5 орудий и 2 танков на 1 км фронта.
