38–я армия в составе 226, 300, 199, 304, 81 и 124–й стрелковых дивизий, 133–й (12 Т–34, 11 БТ), 36–й (12 МkII «Матильда», 20 MkIII «Валентайн», 18 T–60) и 13–й (12 МkII и MkIII, 14 БТ и 6 Т–26) танковых бригад, усиленная шестью артиллерийскими полками РГК, на большей части своего 74–километрового фронта должна была обороняться. На своем правом фланге армия силами четырех дивизий и трех танковых бригад должна была нанести удар на 25–километровом участке и продвигаться вперед, обеспечивая войска 28–й армии от контрударов противника с юга и юго–запада. Далее во взаимодействии с 6–й армией она должна была окружить и разгромить войска немецкого LI армейского корпуса к юго–востоку от Харькова в районе Чугуева. Три указанные танковые бригады находились в процессе переформирования в 22–й танковый корпус. Однако к началу операции формирование не было завершено, и бригады использовались в качестве средства непосредственной поддержки пехоты. Артиллерия армии насчитывала 485 орудий и минометов.
В барвенковском выступе собиралась ударная группировка 6–й армии и армейской группы Л. В. Бобкина. Главный удар должна была наносить 6–я армия генерал–лейтенанта А. М. Городнянского в составе 337, 47, 253, 41, 411, 266, 103 и 248–й стрелковых дивизий, 5–й гвардейской, 37, 38, 48–й танковых бригад, 21–го и 23–го танковых корпусов, усиленная четырнадцатью артиллерийскими полками РГК. Она должна была наступать своим левым флангом, прорвать оборону противника на 26–километровом участке и обеспечить ввод в прорыв двух танковых корпусов. В дальнейшем армия, взаимодействуя с подвижными соединениями, должна была развивать удар в общем направлении на Мерефу, Харьков. С выходом войск армии в район Мерефы (город южнее Харькова) три усиленных полка должны были нанести удар из района Змиева в тыл группировке немцев, действующей юго–восточнее Харькова, навстречу 38–й армии.
Эшелоном развития успеха 6–й армии были 21–й и 23–й танковые корпуса (269 танков). После ввода их в прорыв они должны были к исходу пятого дня операции перерезать все пути из Харькова на запад. В дальнейшем эти корпуса, соединившись с частями 3–го гвардейского кавалерийского корпуса 28–й армии, завершали глубокое окружение харьковской группировки немцев.
Армейская группа Л. В. Бобкина в составе 393–й и 270–й стрелковых дивизий, 7–й танковой бригады (40 танков), 6–го кавалерийского корпуса (49, 26 и 28–я кавалерийские дивизии) прорывала оборону немцев на 10–километровом участке фронта и обеспечивала ввод в прорыв 6–го кавалерийского корпуса. В свою очередь 6–й кавалерийский корпус, войдя в прорыв, должен был к исходу пятого дня операции овладеть Красноградом и обеспечить войска 6–й армии от контрударов с запада. Всего в 6–й армии и армейской группе насчитывалось 1151 орудие и миномет.
В резерве командующего Юго–Западным фронтом находились две стрелковые дивизии (277–я и 343–я), 2–й кавалерийский корпус и три отдельных танковых батальона (96 танков). Штаб фронта располагался в Сватове, примерно на равном расстоянии от обеих ударных группировок фронта.
К проведению операции привлекались 32 авиационных полка Юго–Западного и Южного фронтов, имевших в своем составе 654 боевых самолета, в том числе 243 истребителя (106 ЛаГГ–3, 87 Як–1, 39 И–16, 11 МиГ–3), 83 дневных бомбардировщика (27 Су–2, 26 СБ, 2 Ар–2, 28 Пе–2), 71 штурмовик (63 Ил–2 и 8 И–153), а также 142 ночных бомбардировщика (104 У–2, 31 Р–5, 7 Ил–4). Из этого числа самолетов для поддержки 6–й армии выделялся один бомбардировочный (11 Су–2), два штурмовых авиаполка (19 Ил–2) и четыре полка ночных бомбардировщиков. «Птицу–тройку» 21, 28 и 38–й армий севернее Харькова поддерживали два бомбардировочных (10 Су–2 и 15 Пе–2), один штурмовой (16 Ил–2) и три ночных бомбардировочных полка. В резерве фронта были один штурмовой (20 Ил–2) и один бомбардировочный (26 СБ и Ар–2 и 1 Пе–2) авиаполки. Хорошо видно, что значительную долю ВВС Красной Армии в Харьковской операции составляли ночные легкомоторные самолеты. К сожалению, к моменту начала Харьковской операции на юго–западном направлении не успели создать воздушные армии. Точнее, Южный фронт начал формировать 4–ю воздушную армию 7 мая, а на Юго–Западном фронте авиационное объединение (8–я ВА) начало создаваться только в июне 1942 г. В связи с этим возможности немногочисленных ВВС фронтов не были в полной мере использованы для массирования усилий авиации на направлении главного удара.
План Харьковской операции был, с одной стороны, довольно простым, с другой стороны — хорошо продуманным. Замысел командования Юго–Западного направления представлял собой классические «канны»: удар по сходящимся направлениям с целью окружения и разгрома противника. Окружение должно было стать многослойным: на юго–восточных подступах к Харькову должны были сомкнуться «пехотные» клещи 38–й и 6–й армий, а к западу от Харькова — «клещи» подвижных соединений, 21–го и 23–го танковых корпусов и 3–го гвардейского кавалерийского корпуса. Кавалерийская группа Л. В. Бобкина должна была нанести удар в глубину, обеспечивая внешний фронт окружения и создавая рубеж развертывания для продолжения наступления в направлении Днепра.
Однако, несмотря на то что Красная Армия весной 1942 г. находилась на подъеме, улучшая свои ударные возможности и организацию, она все еще оставалась армией страны с эвакуированной промышленностью. Рассмотрим состояние 41–й стрелковой дивизии, входившей в ударную группировку 6–й армии. Соединение с тем же номером под руководством Г. Н. Микушева встречало немцев у границы. Та дивизия сгорела в киевском «котле», а под Харьковом должна была наступать 41–я стрелковая дивизия второго формирования. Она была сформирована в Куйбышевской области зимой 1942 г. Дивизия насчитывала 11 487 человек красноармейцев, командиров и политработников. Из этого числа 1500 человек имели опыт боев, а 2735 — опыт пребывания за решеткой. На вооружении дивизии было шестьдесят 45–мм и 76–мм орудий, 270 противотанковых ружей, 76 ручных пулеметов, 180 пистолетов–пулеметов, 6855 винтовок. В частях дивизии отсутствовали станковые пулеметы, зенитные пушки и снайперские винтовки. Наличие значительного числа людей с тюремным «стажем» вскоре привело к многочисленным нарушениям дисциплины. Командование было вынуждено прибегнуть к нескольким показательным расстрелам перед строем наиболее отличившихся «фартовых людей» для восстановления порядка.
Юго–Западному и Южному фронтам противостояли войска группы армий «Юг». Если на советской стороне фронта барвенковский выступ делила пополам разграничительная линия между двумя фронтами, то на немецкой стороне такая же разделительная линия проходила между армейской группой Эвальда фон Клейста и 6–й армией Фридриха Паулюса. «Птице–тройке» наступления 21, 28 и 38–й армий противостоял XVII армейский корпус (294–я и 79–я пехотные дивизии). На направлении главного удара 6–й армии занимал оборону VIII армейский корпус (62–я пехотная дивизия, 454–я охранная дивизия и 108–я венгерская дивизия). В основном острие советского наступления нацеливалось на боевые порядки 62–й пехотной дивизии. В качестве средства усиления дивизии был придан 194–й батальон штурмовых орудий StuGIII (30 САУ). В советское окружение к юго–востоку от Харькова должны были попасть соединения LI армейского корпуса (44, 297 и 71–я пехотные дивизии). Паулюс предлагал отвести находившуюся в полуокружении 44–ю пехотную дивизию из района удержанной зимой Балаклеи, но фон Бок отклонил это предложение.
