Только тогда Н. Ф. Ватутин получил приказ готовить удар на белгородско-харьковском направлении. Его войска в этой операции должны были действовать в тесном взаимодействии с войсками Степного фронта, которыми командовал генерал И. С. Конев. Координацию действий двух фронтов осуществлял представитель Ставки ВГК Маршал Советского Союза Г. К. Жуков.
Вступал в действие план операции под кодовым названием «Полководец Румянцев».
По замыслу Ставки войска генералов Н. Ф. Ватутина и И. С. Конева должны были нанести удар смежными крыльями обоих фронтов из района северо-западнее Белгорода в общем направлении на Богодухов, Валки, Новая Водолага с целью расколоть белгородско-харьковскую группировку войск противника, а затем охватить и разгромить вражеские соединения в районе Харькова. После решения этой задачи для советских войск открывались возможности продвижения к Днепру, создавалась угроза тылу и коммуникациям донбасской группировки противника.
На подготовку операции отводилось всего около десяти суток. Чтобы уложиться в столь сжатый срок, от командования фронтов, штабов и политорганов требовалось огромное напряжение сил. В те дни «виллис» Ватутина видели на фронтовых складах, на железнодорожных станциях, где шла выгрузка прибывающих войск усиления, боевой техники и боеприпасов.
В период подготовки к операции активно проводилась дезинформация противника. Так, чтобы ввести гитлеровцев в заблуждение относительно истинного направления главного удара, в районе Суджи имитировалось сосредоточение одной танковой и одной общевойсковой армий. В результате немецко-фашистское командование поверило в то, что советские войска готовятся к наступлению на суджском направлении. Об этом говорит тот факт, что даже после начала наступления войск Воронежского и Степного фронтов на Богодухов, Валки, Новая Водолага гитлеровцы долгое время продолжали держать на суджском направлении значительное количество своих войск.
У маршала А. М. Василевского в воспоминаниях есть такие строки, характеризующие полководческий талант генерала Н. Ф. Ватутина: «Хочется особо отметить, что важнейшие задания, которые возлагали на генерала Ватутина ГКО и Верховное Главнокомандование при подготовке и проведении крупнейших военных операций, как правило, выполнялись отлично. Он умел решительно сосредоточивать силы и средства на главном направлении, наращивать усилия и внезапно наносить мощные удары во фланг и в тыл вражеским группировкам, искусно применять крупные массы танков для развития наступления в оперативную глубину, организовывать прочное взаимодействие родов войск и видов вооруженных сил, надежно поддерживать непрерывное и твердое управление войсками»
