Решением командующего Южным фронтом главный удар наносился силами 57‑й армии в направлении на Барвенково и 37‑й армии — на Дружковку. 12‑я армия согласно этому решению наносила вспомогательный удар на Дзержинск. Действовавшие южнее 18‑я и 56‑я армии должны были прочно прикрывать каменское и ростовское направления.
Для наращивания сил и развития успеха в глубину намечалось ввести в сражение 1, 5 и 6‑й кавалерийские корпуса.
Вновь сформированный 5‑й кавалерийский корпус, командовать которым с 18 января было приказано мне (начальник штаба И. М. Афонии, комиссар П. И. Козлов), в составе 34, 79 и 60‑й кавалерийских дивизий, имел задачу войти в прорыв в направлении Малая Камышеваха, Барвенково.
Авиация фронта распределялась по армиям и имела задачи: до начала наступления препятствовать подходу и подвозу резервов и грузов и тем самым не дать противнику усилить группировку, действующую на направлении главного удара, уничтожать вражескую авиацию в воздухе и на аэродромах, прикрывать перегруппировку своих войск и сосредоточение ударной группировки фронта. Затем авиации предстояло обеспечить наступление ударной группировки, взаимодействуя с наземными войсками на поле боя, препятствовать подходу резервов врага восточнее рубежа Лозовая, Красноармейское, Сталино, прикрывать с воздуха сосредоточение и ввод в прорыв подвижных групп и активными действиями оказывать им помощь в разгроме противника.
Подготовка операции началась 1 января и должна была закончиться в короткий срок — в течение 12 суток.
В этот период были перевезены железнодорожным транспортом 37‑я и 9‑я армии с левого на правое крыло фронта. Там же сосредоточивалась 57‑я армия, которая прибыла в состав фронта 3 января. Для перевозки трех армий потребовалось 270 поездов — 14 597 вагонов.
Части 37‑й и 9‑й армий сменялись частями 18‑й и 56‑й армий.
Следует отметить крайне неблагоприятные условия, в которых производились железнодорожные перевозки. В дни погрузки 37‑й армии в течение трех суток не прекращалась вьюга, превратившаяся в ураган, сила ветра достигала 11 баллов. Станции Ровеньки, Щетово, Колпаково, Штеровка были занесены снегом. На очистке их круглые сутки посменно работала не одна сотня людей. С 3 по 4 января, вследствие снежных заносов, перегон Ровеньки — Карпушино был закрыт. После вьюги систематические налеты вражеской авиации на Купянск, Валуйки, Новый Айдар вынуждали закрывать узловые станции и перегоны для пропуска и приема поездов. Перевозка была начата 2 января и закончена 17 января.
С целью прикрытия перегруппировки и сосредоточения войск на правом крыле Южного фронта с 6 по 16 января была организована радиодемонстрация, имитировавшая подход и сосредоточение пяти стрелковых дивизий на левом крыле фронта. Наряду с ложной работой радиостанций проводились помехи работе радиостанций противника.
Прибыв в новые места дислокации, войска продолжили подготовку. Велась активная разведка.
К 15 января части 6‑й армии подошли к переднему краю обороны противника. Командный состав армии провел рекогносцировку местности, согласовал вопросы взаимодействия пехоты с танками, артиллерией и авиацией. Были подготовлены исходные рубежи для наступления.
Перед началом наступления штаб Южного фронта передал указания, в которых отмечались особенности организации немецкой обороны, а также требования по использованию родов войск.
Танковые бригады должны были непосредственно поддерживать пехоту, их действия прикрывались огнем артиллерии. Штаб требовал захватывать опорные пункты противника не лобовыми атаками, а обходя их. Танковые бригады, которые усиливали кавалерийские корпуса, предполагалось использовать на флангах для выхода во вражеские тылы.
Кавалерийским корпусам предстояло самостоятельно захватывать важные узлы сопротивления врага, прорываясь в его тылы. Конница усиливалась пехотными подразделениями. Ей придавали отдельные дивизионы и зенитные батареи для прикрытия с воздуха.
Перед началом атаки, а также в период первого и второго дня наступления авиация должна была действовать беспрерывно, в крайнем случае с небольшими, 20–30‑минутными, перерывами. Важнейшей задачей авиации являлась разведка, определение группировки и направления готовящегося контрудара врага.
Признавалась целесообразной выброска небольших пехотных подразделений в глубину обороны противника на танках. Уничтожение и окончательный разгром противника в опорных пунктах возлагались на вторые эшелоны и резервы.