В целом в ходе операции советские ВВС не смогли обеспечить господство в воздухе в полосе наступления 3-й танковой армии. Достаточно результативны были действия ночных бомбардировщиков 2-й ВА. Длинные февральские ночи способствовали совершению большого числа вылетов в сутки, а новые тактические приемы (например, сочетание вылетов на бомбежку с оригинальной методикой разведывательных действий) позволили добиться высокой эффективности использования устаревшей матчасти (По-2, Р-5). Противник не смог противопоставить действиям ночников ничего, кроме заградительного огня зенитной артиллерии. Очень существенной была роль ночных бомбардировщиков в организации связи с вырвавшимися вперед наступающими группировками. Особенно ценными оказались действия ночников по снабжению горючим и боеприпасами 6-го гвардейского кавалерийского корпуса во время его рейда, нацеленного на глубокий обход Харькова с юго-запада.
План противовоздушной обороны армии истребительной авиацией в ходе подготовки и начала наступления был разработан штабом фронта совместно со штабом 2-й ВА. Однако ввиду малого числа боеготовых истребителей — около 50 самолетов в составе всей 2-й ВА на более чем 200 км фронта — основная тяжесть борьбы с авиацией противника ложилась на наземные средства ПВО.
В состав 3-й танковой армии входили 71-й, 319-й и 470-й полки ПВО (29 37-мм зенитных орудий к началу наступления). Кроме того, зенитные подразделения в виде отдельных дивизионов, батарей и взводов имелись в других частях и соединениях армии. Всего к началу наступления в армии было около 50 37-мм зенитных орудий и около 90 крупнокалиберных зенитных пулеметов.
Все указанные части ПВО длительное время входили в состав армии, прошли вместе с ней период подготовки и достаточно хорошо отработали взаимодействие как с танковыми, так и со стрелковыми частями и подразделениями. Но такого количества зенитных средств явно было недостаточно для прикрытия не только боевых группировок, но и очень растянутых путей подвоза.
В ходе подготовки Острогожско-Россошанской операции армейские полки ПВО были приданы танковым и кавалерийскому корпусам и двигались в их боевых порядках. Такое положение сохранилось и в ходе Харьковской операции, поскольку позволяло максимально эффективно прикрыть эти мобильные ударные группировки.
В условиях господства вражеской авиации в воздухе, в условиях постоянного наращивания ее численности и активности действий, части ПВО 3-й танковой армии с большим трудом справлялись с задачей прикрытия своих войск. Ситуацию усугубляли недопоставки фронтом зенитных боеприпасов по заявкам штаба армии и дефицит горючего. В результате ВВС противника порой действовали над полем боя практически беспрепятственно. Характерны неоднократные прицельные бомбежки штаба армии и армейского узла связи.
Войсковая ПВО противостоящих армии Рыбалко панцергренадерских дивизий СС была представлена входящим в состав каждой зенитным батальоном из трех тяжелых батарей (12 88-мм зениток и 9 20-мм автоматов по штату), одной средней (9 37-мм автоматов по штату) и легкой (12 одноствольных или 6 счетверенных 20-мм автоматов по штату), а также отдельными легкими зенитными ротами и взводами в других частях и соединениях дивизии, вооруженными разными типами 20-мм автоматов. Значительный процент матчасти в подразделениях МЗА составляли самоходные типы зенитных пушек, что позволяло эффективно прикрывать войска на марше и в маневренном бою. Батареи зенитного батальона, как правило, включались в состав боевых групп.
Превосходство немецкой авиации в воздухе позволило противнику использовать зенитные орудия всех калибров для ведения огня по наземным целям. Особенно эффективным было использование 88-мм зениток в системе противотанковой обороны (в частности, на рубеже реки Северский Донец возле Чугуева), а малокалиберных автоматов — по наступающей пехоте.
Ведение наступления танковой армией в зимних условиях требовало повышенного внимания к инженерному обеспечению действий наступающих войск — инженерной разведки противника и местности, обеспечения преодоления заграждений и форсирования водных преград, прокладки и поддержания в должном состоянии колонных путей и дорог, подготовки в инженерном отношении обороны на направлениях возможных контратак противника.
Основная нагрузка при проведении этих мероприятий в Харьковской наступательной операции ложилась на саперные подразделения стрелковых дивизий и танковых корпусов. В распоряжении начальника инженерной службы армии находился 182-й мотоинженерный батальон, а штаб фронта передал в подчинение 3-й танковой армии 46-й и 47-й отдельные саперные батальоны из состава 60-й инженерно-саперной бригады (всего шесть саперных рот). Эти батальоны были приданы танковым корпусам. Прокладку дорог фронтового значения в тылу армии и постройку переправ и мостов предполагалось осуществлять силами частей и подразделений, подчиненных начальнику инженерных войск фронта.