Генерал Рыбалко, учитывая реальное состояние и возможности своих войск, а также возможность организации противником прочной обороны на рубеже р. Северский Донец, принял решение иметь оперативное построение армии в два эшелона с выделением резерва. В первом эшелоне находились четыре стрелковые дивизии (48-я, 62-я гвардейские, 160-я и 111-я) и одна отдельная стрелковая бригада (37-я). Во второй эшелон входили 12-й, 15-й танковые и 6-й гвардейский кавалерийский корпуса, 179-я и 201-я отдельные танковые бригады. В резерве командарма находились 184-я стрелковая дивизия и 1245-й истребительно-противотанковый артиллерийский полк.
Согласно решению командующего 3-й танковой армией предусматривалось силами 48-й гвардейской стрелковой дивизии при поддержке 265-го гаубичного артиллерийского полка и 293-го отдельного гвардейского минометного дивизиона нанести удар из района Козинки в общем направлении на Ольховатку, к исходу первого дня операции главными силами выйти в район Приколотное, а передовыми отрядами – на рубеж Гарбузовка, Дорошенково. Части 62-й гвардейской стрелковой дивизии при поддержке 133-го гаубичного артиллерийского и 315-го гвардейского минометного полков должны были наступать из района Новопетровки в общем направлении на Великий Бурлук с задачей к исходу первого дня операции выйти главными силами в район Великий Бурлук, а передовыми отрядами – на рубеж Гнилица, Зеленый Гай. От 160-й стрелковой дивизии, поддерживаемой 206-м гаубичным артиллерийским полком, 294-м и 318-м гвардейскими минометными дивизионами, требовалось перейти в наступление из района Криничное, Каменка в направлении Колодезное, Рогозянка, Шиповатое, Шевченково и к исходу первого дня операции достичь главными силами района Шиповатое, а передовыми отрядами выйти на рубеж Ново-Александровка, Лозовое. На 111-ю стрелковую дивизию возлагалась задача по переходу в наступление из района Червоной Долины в направлении Смородьковка, Аркадьевка, овладению к исходу первого дня операции рубежом Гусинка, Смородьковка, поддержанию связи с наступающей слева 350-й стрелковой дивизией 6-й армии и обеспечению 3-й танковой армии от возможных контратак с юга и юго-запада.
6-му гвардейскому кавалерийскому корпусу (8-я и 13-я гвардейские кавалерийские дивизии[104] с корпусными частями и приданной 201-й отдельной танковой бригадой) предстояло совершить глубокий обход Харькова с юга с целью соединения с частями 40-й армии, создания внешнего фронта окружения вражеской группировки, перехвата путей отхода противника и недопущения подхода его резервов.
Второй эшелон армии предназначался для ввода в сражение после выхода на непосредственные подступы к Харькову, с тем чтобы нанести внезапный стремительный удар на город с юга и юго-запада. Танковым корпусам предстояло создать внутренний фронт окружения противника. По решению генерала Рыбалко 15-й танковый корпус получил в качестве усиления 368-й артиллерийский полк, 12-й танковый корпус – 1172-й легкий артиллерийский полк, а 6-й гвардейский кавалерийский корпус – 288-й артиллерийский полк, 388-й и 390-й отдельные гвардейские минометные дивизионы. В армейскую группу артиллерии дальнего действия (АДД) входили два пушечных артиллерийских полка 8-й артиллерийской дивизии.
Большое внимание было уделено организации противотанковой обороны. В стрелковых дивизиях и танковых бригадах за счет штатных средств истребительно-противотанковых артиллерийских дивизионов и батарей были созданы противотанковые резервы, а в танковых корпусах для этого использовались приданные артиллерийские полки.