Левее 51-й армии занимала рубеж Верх. Нагольчик, Дмитриевка, Куйбышево общим протяжением 36 км 5-я ударная армия. В состав 5-й ударной армии входили девять стрелковых дивизий, одна танковая и одна инженерная бригада. Всего в армии имелось 102 танка (81 в строю и 21 в ремонте), 532 миномета и 762 орудия. Армия имела задачу: нанести главный удар на фронте южная окраина Дмитриевки, Куйбышевское в направлении Калиновка, Артёмовка, прорвать оборону и, уничтожив противостоящего противника, выйти на рубеж Степановка, Амвросиевка, Кутейниково, обеспечивая с севера ударную группировку фронта. Это уже была другая Степановка, западнее той, за которую шли жестокие бои в июле. Теперь ось наступления смещалась к югу, уходя от господствующих над местностью высот 277,9 и 213,9. Теперь армия В.Д. Цветаева должна была наступать по более ровной местности.
Главный удар наносился на участке шириной 10 км силами 31-го и 3-го гв. стрелковых корпусов. 31-й гв. стрелковый корпус сохранил прежний состав – 4, 34-я и 40-я гв. стрелковые дивизии. Средняя численность дивизии корпуса составляла 4600 человек – соединения не успели восстановиться после июльских боев. Управление 3-го гв. стрелкового корпуса в июле действовало в составе 51-й армии. В августовской операции ему подчинялись 50-я и 54-я гвардейские стрелковые дивизии из сковывающей группировки июльского наступления и 96-я гвардейская стрелковая дивизия из прежнего состава 5-й ударной армии. Две переброшенные из 51-й армии дивизии насчитывали 6364 и 6810 человек соответственно, 96-я гв. стрелковая дивизия насчитывала 5306 человек. На десятикилометровом фронте прорыва в первом эшелоне находились четыре стрелковые дивизии и во втором – две. Из общего количества имевшихся в армии орудий и минометов на направлении главного удара было выделено 440 орудий и 400 минометов, что составляло в среднем 84 единицы на 1 км фронта. Дивизиям первого эшелона были приданы 7-й и 60-й отдельные гвардейские танковые полки прорыва. С выходом пехоты 5-й ударной армии на рубеж Семёновский, Ново-Александровский, т. е. в первый день операции в прорыв вводился 4-й гв. механизированный корпус.
На левом фланге 5-й ударной армии 387-я стрелковая дивизия из района Куйбышево наносила вспомогательный удар на Ольховский, кол. «Бишлеровка», содействуя правому флангу 2-й гвардейской армии. Численность 387-й стрелковой дивизии составляла всего 4004 человека. Пассивный участок полосы 5-й ударной армии сохранялся прежним: 126-я стрелковая дивизия должна была прочно удерживать рубеж Верх. Нагольчик, Дмитриевка и активными действиями на своем левом фланге содействовать наступлению ударной группировки армии. На этом направлении плотность артиллерии не превышала 15 орудий и минометов на 1 км фронта.
2-я гвардейская армия объединяла шесть стрелковых дивизий, механизированный корпус, одну танковую и одну инженерную бригаду и части усиления. Она занимала фронт шириной 9 км южнее Куйбышева силами 1-го и 13-го гвардейских стрелковых корпусов. 1-й гвардейский стрелковый корпус, наступая в полосе шириной 4 км на правом фланге, имел 24-ю гв. стрелковую дивизию в первом эшелоне и 33-ю и 86-ю гв. стрелковые дивизии – во втором. Дивизии второго эшелона располагались в районе Мартыновка, Писаревский. Левофланговый 13-й гвардейский стрелковый корпус в первой линии, на фронте 5 км имел 13-ю и 49-ю гвардейские стрелковые дивизии и во втором эшелоне, южнее Писаревского – 87-ю гв. стрелковую дивизию. Из наличных артиллерийских средств армия имела возможность создать на направлении главного удара плотность до 200 орудий и минометов на 1 км фронта.
Прорвав фронт и уничтожив противостоящего противника, 2-я гв. армия должна была развивать наступление в общем направлении на запад. К началу наступления она имела в своем составе 261 танк (229 в строю и 32 в ремонте), 537 орудий и 266 минометов. Половина танков входила в состав 2-го гв. механизированного корпуса – 118 в строю и 23 в ремонте. 2-я гв. армия получила пережившую июльские бои в резерве 140-ю танковую бригаду. Также в подчинении 2-й гв. армии был 1543-й тяжелый самоходный артполк на СУ-152, вновь приданный 2-му гв. мехкорпусу. По плану операции 2-й гвардейский механизированный корпус вводился в прорыв после того, как пехота овладевала рубежом Колпаковка, Успенская. Задачей корпуса было развитие успеха в западном направлении и обеспечение выхода армии на рубеж р. Кальмиус.
28-я армия в составе пяти стрелковых дивизий и одной танковой бригады занимала рубеж в районе Петрополье на фронте шириной всего 2,5 км. Войска армии насчитывали 146 орудий и 281 миномет. Она должна была наступать с задачей: прорвать фронт обороны противника в районе Петрополье и во взаимодействии со 2-й гвардейской армией с последующим разворотом влево «смотать» боевые порядки противника южнее Александровки.
Если в июле неповторимое своеобразие операции Южного фронта создавала 2-я гв. армия, то в августе это место досталось 28-й армии. При прорыве обороны на фронте шириной в 2,5 км боевой порядок армии был построен в три эшелона. В первом эшелоне прорыв совершала одна 248-я стрелковая дивизия, усиленная минометным полком и ротой танков. Эта дивизия не участвовала в июльской операции, находясь в подчинении 44-й армии на пассивном участке фронта. Второй эшелон составлял 37-й стрелковый корпус (118-я и 347-я стрелковые дивизии). До выполнения 248-й стрелковой дивизией своей ближайшей задачи – овладение Петропольем, Подгорным – корпус должен был оставаться в районе Ново-Ясиновский, Ново-Марьевка. С овладением 248-й стрелковой дивизией указанными выше пунктами корпус, включив ее в свой состав, должен был одной из своих дивизий развивать достигнутый ею успех. Малочисленные 127-я и 271-я стрелковые дивизии составляли третий эшелон армии и из района Николаевский, Николай-Полье должны были следовать за вторым эшелоном армии. В целях максимального использования артиллерийских средств при весьма своеобразном построении в начале операции было предусмотрено часть артиллерии 28-й армии привлечь для участия в артиллерийской подготовке на участке 2-й гв. армии. Танковые войска были представлены 33-й гв. танковой бригадой, которая оставалась в резерве командующего 28-й армией в районе Полнев. Одна танковая рота этой бригады была придана 248-й стрелковой дивизии.
44-я армия в составе двух стрелковых дивизий и одного укрепленного района при 239 минометах и 256 орудиях обороняла на приморском фланге рубеж Ясиновский, Приморка шириной 64 км.
Подвижный резерв фронта составлял 4-й гвардейский механизированный корпус, сосредоточенный в районе Тацино, Орехово, Каршино. Также в резерве было три стрелковых дивизии: 416-я стрелковая дивизия, расположенная в районе Дмитриенко, Ново-Спасовка, Широкий; 99-я стрелковая дивизия – в районе Дубровский, Дубровка и 151-я стрелковая дивизия – в районе Нов. Надежда, Волна Революции. Кроме этого, к 5 часам 20 августа должен был сосредоточиться в районе Октябрьский, Миллерово 4-й гвардейский кавалерийский корпус.
Поддержку наступления с воздуха в ходе операции должна была обеспечивать авиация 8-й воздушной армии. В нее к этому времени входили 270-я бомбардировочная дивизия, 1-я штурмовая, 6-я истребительная, 2-я ночная бомбардировочная гвардейские дивизии. 10-й смешанный авиакорпус был переформирован в 7-й штурмовой авиакорпус (206-я, 289-я штурмовые и 236-я истребительная авиадивизии). С Кубани прибыла 9-я гвардейская истребительная авиадивизия полковника И.М. Дзусова. Это было не только количественное, но и качественное усиление ВВС Южного фронта: в авиадивизии воевали известные советские асы-истребители: А.И. Покрышкин, Г.А. Речкалов, А.Ф. Клубов, Д.Б. Глинка и другие. В сентябре в состав 8-й воздушной армии был включен 3-й истребительный корпус под командованием генерал-майора авиации Е.Я. Савицкого. Всего в составе 8-й воздушной армии к началу боев насчитывалось 244 штурмовика, 248 истребителей, 100 дневных и 75 ночных бомбардировщиков. В ночь перед наступлением ночные бомбардировщики должны были беспрерывно воздействовать на обороняющиеся войска противника с целью подавления системы огня и изнурения живой силы, в особенности на переднем крае. Перед переходом пехоты в атаку предусматривался двадцатиминутный массированный налет штурмовой авиации на подавление и разрушение опорных пунктов противника на высотах непосредственно за передним краем. С началом боевых действий наземных войск авиация должна была непрерывными эшелонированными налетами подавлять артиллерию и минометные батареи противника в ближайшей глубине. По плану в первый день операции 1-я гв. штурмовая авиадивизия должна была поддерживать войска 5-й ударной армии, а 7-й штурмовой авиакорпус – 2-ю гв. армию. Хорошо видно, что основные усилия артиллерии и авиации сосредотачивались в полосе 2-й гв. армии: ей придавался целый авиакорпус. Далее, на второй и третий день операции, 1-я гв. штурмовая авиадивизия должна была переключиться на поддержку 4-го гв. механизированного корпуса. Соответственно 7-й штурмовой авиакорпус нацеливался на поддержку 2-го гв. механизированного корпуса.
