К началу операции в состав армии входили шесть стрелковых дивизий, три танковые бригады, два тяжелых артиллерийских полка и гаубичный артиллерийский полк, три дивизиона гвардейских минометов. Перед ней оборонялись 257-я и 295-я немецкие пехотные дивизии. В районе Славянска разведкой отмечалось сосредоточение еще одной пехотной дивизии. После прорыва обороны противника войска должны были овладеть Барвенково и выйти на железнодорожную линию Славянск – Лозовая.
Главный удар армия наносила правым флангом с рубежа Каменка, Студенок в направлении на Барвенково силами четырех стрелковых дивизий, трех танковых бригад при поддержке основной массы артиллерии РВГК. Ударная группа армии строилась в два эшелона. Первый из них состоял из трех стрелковых дивизий и танковой бригады. Две танковые бригады, сведенные в особую группу, выделялись во второй эшелон; одна стрелковая дивизия составляла резерв командарма. Вспомогательный удар наносился на левом фланге армии силами двух стрелковых дивизий.
Генерал Баграмян, которому командарм доложил свое решение на наступление, отметил его грамотность в оперативном отношении, но вместе с тем обратил внимание на то, что выделение двух танковых бригад в особую группу для самостоятельных действий в условиях глубокого снежного покрова, сильной обороны противника слишком рискованно. К тому же для этой группы был задуман очень сложный маневр, в ходе которого ей предстояло вступить в сражение в глубине вражеской обороны, в отрыве от стрелковых дивизий. Целесообразнее две бригады из трех использовать для непосредственной поддержки пехоты, наступавшей в первом эшелоне на направлении главного удара. Это гарантировало бы надежность прорыва обороны на всю ее глубину. Третью же бригаду следовало придать одной из стрелковых дивизий второго эшелона, что обеспечило бы ей успешное наступление в глубине расположения противника. С этим предложением генерал Рябышев согласился.
Оставшиеся до наступления дни маршал Тимошенко посвятил дальнейшей доработке плана операции, контролю и оказанию помощи войскам. Активно решались вопросы тылового обеспечения. Хорошо развитая в этом районе Донбасса сеть железных дорог позволила выделить для каждой армии определенную железнодорожную станцию. Дивизии первого эшелона армий снабжались с помощью выдвинутых вперед так называемых железнодорожных летучек.