大卢基战役中，苏军作战主力为加里宁方面军麾下的第三突击集团军。该集团军由库兹马·尼基托维奇·加利茨基少将指挥，下辖三个核心作战军：第二机械化军、第五近卫突击军以及第八爱沙尼亚军。其中，第二机械化军沿袭旧制，作为指挥管理单位统辖若干师旅；而第八爱沙尼亚军在战役中展现出独特的作战特性，其表现尤为值得关注。
直接参与大卢基城围攻的部队以步兵单位为主。尽管附近部署有骑兵师，但其主要承担预备队职能。战役期间，大量坦克旅、机械化旅、滑雪旅及步兵旅在西部战线展开激烈作战。第三突击集团军还配属了众多独立炮兵、装甲与工兵团营，为关键地段的师旅级部队提供火力与工程支援。
苏军投入的近卫部队包括第9、16、21、46近卫步兵师等单位，以及多个火箭炮团。这些部队虽享有精锐名号，但在残酷的巷战中承受了惊人损失，部分单位几近崩溃。值得注意的是，一些当时未获近卫称号的部队却展现出超群战斗力——例如第150“斯大林”步兵师与第257步兵师。后者因战役中的卓越表现，于1943年扩编为第九近卫步兵军；而前者更是后来在柏林国会大厦升起胜利旗帜的英雄部队。
其他参战的苏军步兵师涵盖第7、49爱沙尼亚步兵师，以及第28、32、357等多支常规步兵师。1942年的苏军仍面临指挥官短缺的困境，许多部队采用“一次性补充”模式，但到1943年，随着指挥体系完善与部队扩编，整体作战效能显著提升。
德军在大卢基的防御阵容堪称二战兵种博览会。除传统陆军部队外，空降师、空军野战师、党卫军单位乃至勃兰登堡特种部队皆投入战场。这种罕见的多兵种混编，源于东线战局吃紧——大量完整预备队被调往斯大林格勒方向，大卢基防线只得集结一切可作战力量。
战役初期，第59军承担主要防务，后升级为“切瓦勒里战斗群”独立指挥。德军步兵师普遍采用三团六营制，但参战的第83、205、291步兵师均不满编，仅辖六个步兵营。尽管如此，这些部队凭借丰富经验与有效指挥，仍保持较强战斗力。
第八装甲师是德军阵营中的尖刀力量，虽因战损仅余32辆可用坦克（其中27辆为捷克旧型号），但其官兵素质仍属一流。第20摩托化师（后改编为装甲掷弹兵师）与第三山地师同样战绩显赫，后者特别配备山地作战装备，具备极寒环境作战能力。
党卫军单位中，1SS摩托化旅（非1SS师所属）从后方治安部队转型为前线主力，在整补期间仍维持可观战斗力。最特殊的参战单位当属勃兰登堡特种部队803团，这支部队擅长渗透与心理战，曾在荷兰与苏联战场多次上演“兵不血刃”的经典战例。
相比之下，第6空军野战师暴露出严重缺陷——这支由空军冗余人员仓促组建的部队缺乏陆战经验与合格士官，战斗力远逊于常规陆军师。最薄弱的331步兵师则由超龄人员组成，两名团长因年龄与健康问题无法有效指挥，成为防线上的脆弱环节。
值得一提的是，德军第一伞兵师当时驻防在战役地点仅30英里外。这支精锐空降部队若能及时投入，战局或将彻底改写，但其最终未能参战，成为德军指挥层争议不断的战略抉择。
大卢基战役不仅是兵力的对抗，更是装备体系与战术思想的较量。苏军在此阶段仍大量依赖步兵集群与炮兵支援的经典战术，但已开始尝试将滑雪旅等特种单位用于机动穿插。德军则展现出多兵种协同的雏形，尽管这种协同因部队来源杂乱而效率受限。
双方装甲力量均显不足：苏军坦克旅多配属旧式T-34早期型号，德军第八装甲师更是依赖捷克制造的38(t)坦克苦撑。这种装备现状折射出1942年末东线战场的消耗程度——双方都将残破的装甲部队投入这座不起眼的城市，进行着代价高昂的拉锯。
