В ходе проведения операции 3-я танковая армия блестяще справилась с задачами прорыва обороны противника, преследования и окружения его отходящих частей, захвата ключевых населенных пунктов и транспортных узлов, предопределив тем самым, вместе с другим объединениями, успех всей фронтовой операции.
Успешный ход операции, сопровождавшийся окружением крупной группировки противника, крушение неприятельского фронта на протяжении 250 км и выход подвижных соединений на оперативный простор побудили командование Воронежского фронта продолжать наступательные действия на всем его протяжении. 24 января 1943 года 40-я, 60-я и 38-я армии, совместно с 13-й армией Брянского фронта, начинают Воронежско-Касторненскую операцию, нацеленную на окружение противостоящих им 2-й немецкой армии и 3-го венгерского армейского корпуса.
Для южной группировки войск фронта, где действовала 3-я танковая армия, выходящая к тому моменту на рубеж Ольховатка — Валуйки — Уразово — Покровское, была подготовлена новая задача. Ещё 20 января командующий Воронежским фронтом Ф.И. Голиков и представитель Ставки А. М. Василевский представили на утверждение командования план фронтовой наступательной операции по освобождению Харьковского промышленного района, Белгорода и Курска (полный текст доклада см в приложении 1 к настоящей статье).
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.
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.