Для выполнения перечисленных задач противник создал сильные ударные группировки на стыке Юго-Западного и Южного фронтов в районах Краснограда и Новомосковска. В частности, в районе Новомосковска на фронте примерно в 50 км было сосредоточено 90 % личного состава и артиллерийских средств и все танки 1-й немецкой танковой группы.
Донбасс в 270-километровой полосе от Новомосковска до побережья Азовского моря в конце сентября 1941 года прикрывали войска Южного фронта (командующий генерал-лейтенант Д.И. Рябышев) в составе 12-й армии второго формирования (командующий генерал-майор И.В. Галанин), 18-й армии (командующий генерал-лейтенант А.К. Смирнов) и 9-й армии (командующий генерал-майор Ф.М. Харитонов). Всего к началу операции в составе советских войск, действующих на донбасском направлении, насчитывалось 36,8 тысячи человек личного состава, 304 танка (в том числе 13 тяжелых и 56 средних), 1033 орудия и миномета (в том числе 116 противотанковых и 128 зенитных). Группировку наземных войск с воздуха прикрывали 311 боевых самолетов, из которых только 186 находились в исправном состоянии.
По имеющимся данным, советские войска превосходили противника по численности личного состава в 1,4 раза, по танкам – в 1,3 раза, но уступали по численности артиллерии в 2,2 раза. Кроме того, по количеству самолетов в полосе Южного фронта более чем двойное превосходство было на стороне противника.
Также надо иметь в виду, что в районе севернее Днепропетровска на подступах к Донбассу вели оборонительные бои войска 6-й армии второго формирования (командующий генерал-лейтенант Р.Я. Малиновский), состоявшей из трех стрелковых, двух кавалерийских дивизий и двух отдельных танковых бригад, которые до 27 сентября 1941 года входили в состав Южного фронта. Но именно в этот день, по ходатайству С.К. Тимошенко, данная армия была передана в состав Юго-Западного фронта. Считалось, что в случае острой необходимости часть сил этой армии могла быть брошена на помощь войскам правого крыла Южного фронта. Но на самом деле передача 6-й армии в состав Юго-Западного фронта в самом начале наступления 1-й танковой группы Клейста говорит о том, что важнейшим направлением Ставка ВГК на то время считала харьковское направление.
Донбасско-ростовскую стратегическую оборонительную операцию советских войск условно можно разделить на ряд более мелких операций, которые проводились группами армий или отдельными армиями. В их числе Донбасская оборонительная операция (29.9 – 30.10 1941 г.), Ростовская оборонительная операция (5 – 16.11 1941 г.), оборона Харькова и Ростова, контрнаступление советских войск под Ростовом и другие.
В конце сентября 1941 года начальник Генерального штаба Б.М. Шапошников смог убедить И.В. Сталина в том, что основной причиной неудач советских войск на южном крыле советско-германского фронта стала неэффективность управления через промежуточное звено в лице главкома стратегического направления. С 27 сентября полевое управление главкома Юго-Западного направления было преобразовано в полевое управление Юго-Западного фронта, а руководство действиями как Юго-Западного, так и Южного фронтов взяла на себя непосредственно Ставка Верховного Главнокомандования. Маршал Советского Союза С.М. Буденный был назначен командующим войсками Резервного фронта. Командующим Юго-Западным фронтом был назначен Маршал Советского Союза С.К. Тимошенко.
Но эти кадровые перестановки особого эффекта не дали. Разведка обоих советских фронтов и всех армий работала плохо. В результате этого командование Южного фронта «не увидело» три-четыре дивизии противника, а командование Юго-Западного фронта и его 6-й армии просто «не обратили внимание» на сосредоточение немецких войск на донбасском направлении.
На основании неполных и ошибочных разведывательных данных, поступавших из различных источников, Генеральный штаб РККА и Ставка ВГК также неправильно оценили обстановку, сложившуюся на южном крыле советско-германского фронта. 28 и 29 сентября начальник Генерального штаба Маршал Советского Союза Б.М. Шапошников требовал от войск 6-й армии нанесения сильного контрудара во фланг подмосковной группировки противника, несмотря на то, что в указанном районе действовали только две сильно ослабленные кавалерийские дивизии, совершенно не приспособленные для нанесения такого контрудара.
