Замысел Барвенково–Лозовской операции сводился к тому, чтобы ударом войск смежных крыльев Юго–Западного и Южного фронтов прорвать оборону противника на стыке 6–й и 17–й армий между Балаклеей и Артемовском и, развивая наступление в общем направлении за Запорожье, одновременно выйти в тыл донбасско–таганрогской группировки противника, прижать ее основные силы к побережью Азовского моря и отрезать ей пути отхода на запад. Одновременно имелось в виду частью сил левого крыла Юго–Западного фронта нанести удар в общем направлении на Красноград с целью обеспечения операции с севера и с перспективой последующего овладения Харьковом с юга. К операции привлекались 6–я армия Юго–Западного фронта (шесть стрелковых дивизий, три кавалерийские дивизии, три танковые бригады) и 57, 37, 12, 18, 56 и 9–я армии Южного фронта (30 стрелковых дивизий, 4 стрелковые бригады, 9 танковых бригад, 15 кавалерийских дивизий, 19 артиллерийских полков РГК). На направлении главного удара должны были действовать 6–я армия Юго–Западного фронта, 57–я и 37–я армии Южного фронта — всего 18 стрелковых дивизий, 12 кавалерийских дивизий, 10 танковых бригад и 14 артиллерийских полков РГК.
Задачи фронтов детализировались оперативными директивами штаба Юго–Западного направления № 02/оп от 29 декабря и № 03/оп от 6 января 1942 г. Южный фронт силами 57–й и 37–й армий должен был с рубежа (иск.) Изюм — Нырково (30 км южнее Лисичанска) прорвать оборону LII и XI армейских корпусов 17–й немецкой армии и развить наступление по двум расходящимся операционным направлениям. Соответственно 57–я армия генерал–лейтенанта Д. И. Рябышева должна была наступать через Барвенково на Павлоград в направлении Днепра, 37–я армия генерал–лейтенанта А. И. Лопатина — через Красноармейское на Большой Токмак в тыл донбасской группировки противника. Эшелон развития успеха составляли вводимые в стыке между этими армиями два кавалерийских корпуса (1–й и 5–й) и переброшенная с левого крыла фронта в район Сватова 9–я армия (до ввода в сражение составляла резерв Главнокомандующего направлением). Задачей двух кавалерийских корпусов и 9–й армии было наступление в направлении на Запорожье. Конечной задачей кавалеристов, 57–й и 9–й армий был выход на р. Днепр и захват переправ у Днепропетровска и Запорожья. Вспомогательный удар в направлении на Дзержинск с целью обеспечения действий ударной группировки фронта с юга должна была нанести 12–я армия генерал–майора К. А. Коротеева. Остальные армии Южного фронта наступательных задач не получали и должны были оборонять занимаемые рубежи.
Юго–Западный фронт главный удар наносил силами 6–й армии генерал–майора А. М. Городнянского и 6–го кавалерийского корпуса генерал–майора А. Ф. Бычковского (26, 28, 49–я кавалерийские дивизии и 5–я гвардейская танковая бригада) в общем направлении на Красноград с целью обеспечения действий ударной группировки Южного фронта с северо–запада. Одновременно армии А. М. Городнянского ставилась задача овладения Харьковом во взаимодействии с 38–й армией генерал–майора А. Г. Маслова.
Начало наступления войск обоих фронтов было назначено на 12 января. В первые десять дней января шла перегруппировка войск для предстоящего наступления. 6–я армия производила перегруппировку с 5 по 12 января. Две стрелковые и одна кавалерийская дивизии выбыли из ее состава вместе со своими участками обороны. Полоса армии после этого уменьшилась до 55 км. Традиционно для ударных группировок зимней кампании 1941/42 г. в состав армии прибыли три дивизии формирования осени 1941 г. Таким образом численность армии возросла до шести стрелковых дивизий: 253, 270, 337, 343, 393 и 411–я. Командовали ими соответственно комбриг А. А. Неборак, полковники З. Ю. Кутлин, С. М. Бушев, П. П. Чувашев, И. Д. Зиновьев, М. А. Песочин. В состав армии также вошли 7–я танковая бригада полковника И. А. Юрченко и 13–я подполковника А. И. Казакова (19 января его сменил подполковник И. Т. Клименчук). Общая численность войск 6–й армии на 1 января 1942 г. составляла 38 336 человек (средняя укомплектованность дивизии 6897 человек) при 531 орудиях и минометах. Орудий калибром 105 мм и выше было только 111. В четырех танковых бригадах фронтового подчинения было всего 22 танка.