23 января Директивой № 30022 Ставка утвердила план практически без изменений, предписав операцию впредь именовать «Звезда» (текст Директивы приведен в приложении 2). Согласно этому плану, 3-я танковая армия впервые с начала Великой Отечественной войны должна была выполнять задачу, которая по предвоенным взглядам и являлась прерогативой крупных танковых и механизированных соединений — то есть вести наступление в оперативной глубине с целью окружения и захвата крупного стратегического объекта. Для армии Рыбалко, развертываемой на южном фланге фронта, в операции «Звезда» таким объектом должен был стать Харьков — в предвоенные годы четвертый по величине город СССР, промышленный и транспортный центр стратегического значения.
Сектор боевых действий 3-й танковой армии в операции «Звезда» располагался на территории Харьковской области. Его ширина по фронту на исходном рубеже Козинка — Купянск (исключительно) составляла около 70 км, сужаясь к рубежу Харьков — Змиев до 35–40 км. Глубина продвижения армии предполагалась 130–150 км. Местность в этом секторе преимущественно открытая, равнинная, лесов мало. Встречающиеся гряды холмов и нередкие овраги осложняют движение механизированных колонн, но с другой стороны — могут облегчать скрытное развертывание войск для выхода на исходные рубежи атаки и организацию встречного боя.
В целом местность способствовала действиям танковых и механизированных войск, но предъявляла повышенные требования к организации войсковой ПВО и авиационной поддержки ввиду недостаточного количества естественных укрытий от действий вражеской авиации. Исключение составляет лишь треугольник Чугуев — Змиев — Мерефа, обладающий гораздо более пересеченной местностью и покрытый достаточно густыми лесами, которые могли способствовать противнику в организации скрытного маневра резервами на участке наступающей армии. Расположение внутри этого треугольника слияния рек Северский Донец и Мжа обладает заболоченными берегами и крайне малым количеством мест, удобных для форсирования их войсками, в т. ч. в зимний период.
Построение боевого порядка 3-й танковой армии к моменту ввода в прорыв подвижной группы.
В полосе наступления армии находилась только одна крупная водная преграда — река Северский Донец, достигавшая в некоторых местах ширины 30 м. В летнее время на русле реки имелось много перекатов и доступных для техники бродов (в среднем один брод на 10 км), но зимой они были недоступны. В январе-феврале 1943 года толщина ледового покрова на Северском Донце достигала 15–20 см, что было недостаточно для переправы техники, но обеспечивало движение по льду пехоты с минометами, а также полковой артиллерии и гужевых обозов после соответствующего оборудования ледовой переправы. Капитальные мосты через реку располагались: автомобильные — в Печенегах и Чугуеве, железнодорожные — в Чугуеве и Зидьках.
Кроме Северского Донца, в полосе действий 3-й танковой армии находилась сеть его притоков — реки Мжа, Уды, Мерефа, Роганка и другие, а также много ручьев. Практически все они протекали в уже упомянутом треугольнике Чугуев — Змиев — Мерефа, дополнительно осложняя действия в этом районе.
Река Оскол, также протекавшая в полосе наступления армии, не представляла серьезной преграды, поскольку армия форсировала её с ходу, в процессе развертывания на исходных рубежах наступления, и не дала отходящему противнику закрепиться на этом рубеже.
Особо следует отметить, что правые (западные) берега как Северского Донца, так и его притоков, практически везде в полосе наступления 3-й танковой армии господствуют над левыми (восточными), способствуя организации противником устойчивой обороны по этим водным рубежам.
Дорожная сеть в полосе действий армии Рыбалко состояла из грунтовых проселочных дорог и не способствовала ведению широкомасштабного наступления и снабжения войск.
Ключевое значение имели рокада Волоконовка — Валуйки — Купянск, а также единственная неплохая грунтовая дорога, совпадающая с направлением наступления: Купянск — Чугуев — Харьков. В ходе операции удалось восстановить движение поездов по железнодорожной линии Валуйки — Купянск.
В рассматриваемом районе имелось большое количество населенных пунктов, многие из которых, располагаясь вдоль дорог, соединялись друг с другом, растянувшись на несколько километров, что облегчало противнику их удержание. Некоторые поселки и райцентры имели каменные здания, что резко повышало их фортификационную ценность. Особую трудность представлял штурм столь крупного города, как Харьков, который мог быть заранее подготовлен к обороне.