Для овладения районом Харькова назначались 38-я, 40-я общевойсковые и 3-я танковая армии, 18-й отдельный стрелковый корпус (вскоре ставший 69-й армией) и 6-й гвардейский кавалерийский корпус Воронежского фронта. Обе армии были усилены соединениями, переданными из 60-й армии. В боевой состав 38-й армии согласно распоряжению Ф.И. Голикова от 28 января 1943 г. назначались: 240, 167, 206-я и 237-я стрелковые дивизии 38-й армии, 232-я стрелковая дивизия и 253-я стрелковая бригада из 60-й армии. Средствами усиления 38-й армии были 180, 14-я и 150-я танковые бригады, три артполка РГК. В боевой состав 40-й армии, наступавшей на Харьков через Белгород, назначались 303-я и 100-я стрелковые дивизии из состава 60-й армии, 25-я гвардейская, 183, 309, 107, 340-я и 305-я стрелковые дивизии, 4, 6-я и 8-я лыжные бригады и 129-я стрелковая бригада. Средствами усиления армии по плану командования фронта были 4-й танковый корпус, 10-я артиллерийская дивизия, 4-я дивизия РС и 5-я дивизия ПВО. Наиболее сильным объединением Воронежского фронта, ставшим основным участником сражения за город Харьков, была 3-я танковая армия генерал-лейтенанта Павла Семеновича Рыбалко.
К началу сражения за Харьков 3-я танковая армия была своего рода «реликтом» советской военной машины. Она относилась к первой волне создания танковых армий и была сформирована по директиве Ставки ВГК от 25 мая 1942 г. В отличие от своего собрата – 5-й танковой армии А.И. Лизюкова, сгоревшей в огненном вихре «Блау» под Воронежем, 3-я танковая армия, которой тогда командовал генерал-лейтенант П.Л. Романенко, провела 1942 г. в позиционных боях на центральном участке фронта. С 22 августа по 9 сентября участвовала в Козельской наступательной операции Западного фронта. После окончания операции П.Л. Романенко был направлен в 5-ю танковую армию (2 формирования). В командование 3-й танковой армией вступил генерал-майор (с 19 января 1943 г. – генерал-лейтенант) П.С. Рыбалко. До этого он занимал должность заместителя командующего танковой армией по стрелковым войскам. Как и многие командующие танковыми соединениями и объединениями Красной армии и вермахта, П.С. Рыбалко был из старых кавалеристов. Еще в конце 20-х годов он получил должность командира 7-го кавалерийского полка. Знакомство с тактикой и оперативным использованием конницы, как мы увидим далее, существенно помогло командующему 3-й танковой армией в проведении наступления на Харьков.
Зимой 1943 г. танковая армия П.С. Рыбалко, как это было принято в тот период, была смешанного состава, помимо танковых соединений в нее входили стрелковые дивизии. По своей структуре и задачам она во многом напоминала немецкие моторизованные и танковые корпуса. К моменту начала операции танковые войска были представлены 12-м танковым корпусом генерал-майора танковых войск М.И. Зиньковича, 15-м танковым корпусом генерал-майора танковых войск В.И. Копцова и 179-й отдельной танковой бригадой полковника Ф.Н. Рудкина. Помимо двух танковых корпусов в состав армии входили 48-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Н.М. Маковчука, 62-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Г.М. Зайцева, 184-я стрелковая дивизия полковника С.Т. Койды, 160-я – полковника М.П. Серюгина и 111-я – полковника С.П. Хотеева. В оперативном подчинении штаба 3-й танковой армии также находился 6-й кавалерийский корпус генерал-майора С.В. Соколова, предназначенный для обеспечения операции с юга. Боевой и численный состав танковых и стрелковых соединений 3-й танковой армии на момент начала операции показан в таблице 1. Армия П.С. Рыбалко начала операцию без оперативной паузы, сразу же после завершения предыдущего наступления. Характерная деталь: уже к началу операции «Звезда» госпиталя армии были переполнены, на больничных койках находилось 3954 человека раненых и больных.