Для овладения районом Харькова назначались 38-я, 40-я общевойсковые и 3-я танковая армии, 18-й отдельный стрелковый корпус (вскоре «повышенный в звании» до 69-й армии) и 6-й гвардейский кавалерийский корпус Воронежского фронта. В боевой состав 38-й армии согласно распоряжению Ф.И.Голикова от 28 января 1943 г. назначались: 240, 167, 206-я и 237-я стрелковые дивизии 38-й армии, 232-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада из 60-й армии. Средствами усиления 38-й армии были 180, 14-я и 150-я танковые бригады, три артполка РГК. В боевой состав 40-й армии, наступавшей на Харьков через Белгород, назначались 303-я и 100-я стрелковые дивизии из состава 60-й армии, 25-я гвардейская, 183, 309, 107, 340-я и 305-я стрелковые дивизии, 4, 6-я и 8-я лыжные бригады и 129-я стрелковая бригада. Средствами усиления армии по плану командования фронтом, были 4-й танковый корпус, 10-я артиллерийская дивизия, 4-я дивизия РС и 5-я дивизия ПВО. Наиболее сильным объединением Воронежского фронта, ставшим основным участником сражения за город Харьков, была 3-я танковая армия генерал-лейтенанта Павла Семеновича Рыбалко.
Зимой 1943 г. танковая армия П.С.Рыбалко, как это было принято в тот период, была смешанного состава, помимо танковых соединений в нее входили стрелковые дивизии. По своей структуре и задачам она во многом напоминала немецкие моторизованные и танковые корпуса. К моменту начала операции танковые войска были представлены 12-м танковым корпусом генерал-майора танковых войск М.И.Зиньковича, 15-м танковым корпусом генерал-майора танковых войск В.И.Копцова и 179-й отдельной танковой бригадой полковника Ф.Н.Рудкина. Помимо двух танковых корпусов в состав армии входили 48-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Н.М.Маковчука, 62-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Г.М.Зайцева, 184-я стрелковая дивизия полковника С.Т.Койды, 160-я — полковника М.П.Серюгина и 111-я — полковника С.П.Хотеева. В оперативном подчинении штаба 3-й танковой армии также находился 6-й кавалерийский корпус генерал-майора С.В.Соколова, предназначенный для обеспечения операции с юга. Боевой и численный состав танковых и стрелковых соединений 3-й танковой армии на момент начала операции показан в таблице 1. Армия П.С.Рыбалко начала операцию без оперативной паузы, сразу же после завершения предыду— щего наступления.
Всего, с учетом всех частей и соединений, численность войск 3-й танковой армии составляла: 57 557 бойцов и командиров, 9502 автомата, 1250 ручных пулеметов, 535 станковых пулеметов, 1353 противотанковых ружья (ПТР), 1223 миномета различных систем, 189 противотанковых орудий, 256 орудий калибра 76 мм, 116 гаубиц калибра 122 мм, 17 орудий калибра 152 мм. Численность танкового парка армии была 223 машины, из них только 85 были боеготовыми.
Исходные рубежи для наступления 3-й танковой армии были образованы внешним фронтом окружения немецких войск в предыдущей операции. 7-й кавалерийский корпус (ставший 19 января 1943 г. 6-м гвардейским кавалерийским корпусом), согласно принятой в Красной Армии технике ведения операций, прорвался глубоко вперед и захватил рубеж реки Оскол и станцию Валуйки. Вскоре к нему присоединилась 184-я стрелковая дивизия. Эти два соединения обеспечили развертывание армии на рубеже Валуйки — Уразово — Каменка для проведения операции «Звезда». К 31 января войска 3-й танковой армии в основном завершили ликвидацию окруженного в Воронежско-Касторненской операции противника и сосредоточились на занятом ранее пехотинцами и кавалеристами рубеже. Длительные марши и бои отрицательно сказались прежде всего на танковом парке армии. К моменту выхода на исходные рубежи для наступления в составе 12-го танкового корпуса было в строю 20 танков, 15-го танкового корпуса тоже 20 танков и в составе 179-й отдельной танковой бригады 10 танков. Поддержку с воздуха наступлений Воронежского фронта осуществляла 2-я воздушная армия генерал-майора авиации Смирнова.
Для немецкого командования обстановка в феврале 1943 г. по сравнению с январем 1942 г. имела три основных отличия. Если в 1942 г. имелся хотя и растянутый, но сплошной фронт, то год спустя в нем зияла колоссальная брешь. Это было отличие в худшую сторону. Одновременно были принципиальные отличия в лучшую сторону. Во-первых, незадолго до начала боев под Харьковом в состав группы армий «Б» и «Дон» прибыли свежие корпуса и дивизии, прошедшие в 1942 г. переформирование на Западе. Это были соединения, утратившие боеспособность и выведенные с фронта по итогам зимней кампании 1941–1942 гг. Во-вторых, отходящая на запад ударная группировка теперь состояла не из одной, а из двух танковых армий. В 1942 г. от Ростова отходила только 1-я танковая армия Э. фон Клейста, в 1943 г. через Ростов отходили танковые корпуса двух крупных механизированных объединений: 1-й танковой армии Э. фон Маккензена и 4-й танковой армии Г.Гота.
Первой из этой группы соединений стала 6-я танковая дивизия, принявшая участке в попытке деблокировать армию Паулюса в конце ноября и начале декабря 1942 г. 30 января она насчитывала 64 танка. Второй из прошедших переформирование после зимы 1941–1942 гг. соединений была 7-я танковая дивизия. Она прибыла в распоряжение командование группы армий «Дон» в январе 1943 г. в составе 21 танка Pz.II, 91 танка Pz.III с 50-мм длинноствольным орудием, 14 танков Pz.III с 75-мм 24-калиберным орудием, 2 танков Pz.IV с 75-мм 24-калиберным орудием, 18 танков Pz.IV с 75-мм длинноствольным орудием и 9 командирских танков. Еще одним танковым соединением, поступившим на усиление войск на южном секторе советско-германского фронта, была 11-я танковая дивизия. Она была переброшена из резерва группы армий «Центр» в конце 1942 г. и к 29 января насчитывала 61 боеготовый танк.
Свежие силы и резервы прибывали не только в группу армий «Дон», но и в группу армий «Б» в районе Харькова и Белгорода. Таким резервом, сыгравшим важную роль в сражении, стала танко-гренадерская дивизия «Великая Германия». Дивизия в процессе отдыха и доукомплектования после «Марса» успела получить пополнение, в том числе новейшие тяжелые танки «тигр», составившие 13-ю роту танкового полка. На момент вступления в бой в составе группы армий «Б» танковый полк дивизии состоял из одного батальона и насчитывал 10 танков Pz.III с 50-мм длинноствольной пушкой, 42 танка Pz.IV с длинноствольным орудием, 9 танков Pz.VI «тигр», 6 командирских танков и 28 огнеметных танков. Второй танковый батальон «Великой Германии» прибыл на фронт в разгар сражения, 1 марта 1943 г.
Помимо танковых и моторизованных соединений в группы армий «Б» и «Дон» поступали свежие пехотные дивизии. Для закрытия бреши севернее Харькова была переброшена 168-я пехотная дивизия, а юго-восточнее Харькова заняла позиции 298-я пехотная дивизия. Сюда же прибыла начавшая формироваться еще в декабре 1940 г. и с марта 1941 г. находившаяся на Западе 320-я пехотная дивизия генерал-майора Георга Постеля. Пополнение получили также другие соединения группы армий «Дон». В состав армейской группы Фреттер-Пико, оборонявшей северный фланг группы армий «Дон», в конце января прибыла 335-я пехотная дивизия. Одновременно армейской группе Фреттер-Пико было возвращено наименование XXX армейского корпуса, и он был подчинен штабу 1-й танковой армии Э. фон Маккензена. В состав армейской группы Холидта, оборонявшейся в центре построения группы армий «Дон», прибыла 304-я пехотная дивизия. Дивизия не обладала боевым опытом, но была хорошо укомплектована в отличие от опытных, но понесших потери в предыдущих боях 206-й и 294-й пехотных дивизий группы Холидта.
