Окончательно задачи были распределены между армиями Юго-Западного фронта в директиве С.К. Тимошенко от 28 апреля 1942 г. Готовность к наступлению ожидалась к исходу 4 мая. Замысел операции предусматривал удары по сходящимся направлениям из района северо-восточнее Харькова и из барвенковского выступа.

К северо-востоку от Харькова была собрана «птица-тройка» из трех армий — 38, 28 и 21–й. «Коренной» была прибывшая из резерва Ставки ВГК 28–я армия Д.И. Рябышева в составе 13–й гвардейской, 244, 175, 169, 162 и 38–й стрелковых дивизий, 3–го гвардейского кавалерийского корпуса (5, 6–я гвардейские, 32–я кавалерийская дивизии, 34–я мотострелковая бригада), 6–й гвардейской, 84, 90 и 57–й танковых бригад, усиленная девятью артиллерийскими полками РГК. Она должна была прорвать оборону противника на фронте 15 км и обеспечить ввод в прорыв 3–го гвардейского кавалерийского корпуса. 3–й гвардейский кавалерийский корпус В.Д. Крюченкина (ранее 5–й кавалерийский корпус) был одним из старейших соединений Юго-Западного направления, прошедшим всю кампанию 1941 г. и заслужившим звание гвардейского. Четыре танковые бригады непосредственной поддержки пехоты 28–й армии насчитывали 181 танк. Артиллерийская группировка 28–й армии была самой сильной из «тройки» — 893 орудия и миномета, 59,5 ствола на километр фронта.

«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.

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 Cу–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.