«Пристяжными» у армии Д. И. Рябышева были ударные группировки, создаваемые на левом и правом флангах 21–й армии В. Н. Гордова и 38–й армии К. С. Москаленко соответственно. 21–я армия в составе 8–й мотострелковой, 297, 301, 76, 293 и 227–й стрелковых дивизий, 1–й мотострелковой, 10–й танковой бригад и 8–го отдельного танкового батальона с четырьмя артиллерийскими полками РГК, должна была силами левофланговых 76, 293 и 297–й стрелковых дивизий, 10–й танковой бригады прорвать оборону противника на участке 14 км и обеспечить правый фланг 28–й армии от возможных контрударов противника с севера и северо–запада. 10–я танковая бригада и 8–й отдельный танковый батальон армии насчитывали 48 танков. В армии насчитывалась 331 орудие и миномет.
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.