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.