В ее состав входили 12-й танковый корпус генерал-майора танковых войск М. И. Зиньковича, 15-й танковый корпус генерал-майора танковых войск В. И. Копцова, 179-я отдельная танковая бригада полковника Ф. Н. Рудкина, а также 48-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Н. М. Маковчука, 62-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора Г. М. Зайцева, 184-я стрелковая дивизия полковника С. Т. Койды, 160-я стрелковая дивизия полковника М. П. Серюгина и 111-я стрелковая дивизия полковника С. П. Хотеева. В оперативном подчинении штаба 3-й танковой армии находился 6-й гвардейский кавалерийский корпус генерал-майора С. В. Соколова, обеспечивавший операцию с юга. К началу наступления в составе 3-й танковой армии было 57 557 бойцов и командиров, у которых имелось 1353 противотанковых ружья (ПТР), 1223 миномета различных систем, 189 противотанковых, 256 76-мм и 17 152-мм орудий, а также 116 гаубиц калибра 122 мм. В армии насчитывалось 223 танка, из которых только 85 были боеготовыми к началу наступления.

Штаб Воронежского фронта требовал от 3-й танковой армии отрезать «пути отхода противнику на Полтаву» и «с хода овладеть г. Харьков не позднее чем в 5-й день наступления». Согласно первоначальному замыслу, танковые и кавалерийский корпуса должны были вступить в дело только после выхода стрелковых дивизий на западный берег Северского Донца, чтобы удар на Харьков с юга и юго-запада оказался внезапным.

Однако в дальнейшем было решено наступать в один эшелон. Еще до начала «Звезды» 6-й гвардейский кавалерийский корпус вырвался далеко вперед и достиг рубежа реки Оскол и станции Валуйки.