7月4日夜，在突出部南部的苏近卫第6集团军捕获了德军第168步兵师的一个士兵，他供认德军即将在第二天开始进攻，7月5日凌晨，在突出部北部的苏第13集团军俘虏了一个德军德国第6步兵师的中士，他也供认德军将在几小时之后发动进攻。为了打乱德军进攻步骤，苏军于5日凌晨率先向德军阵地实施了炮击，库尔斯克会战的序幕由此拉开。
苏军先是以猛烈的炮火对德军压制，进行火力反准备，迫使德军进攻推迟了3个小时，苏军的炮击完全出乎德军的意料，造成很大损失，虽然比原计划推迟了3个小时。但德南方集团军群的第4装甲集团军仍然按部就班地发起了进攻。中午过后，德军开始向苏军开火，德国轰炸机群也发动攻击，德军于下午3点最后一轮炮火轰炸后冲向苏军防线。在损失36辆坦克后，德军艰难的越过了苏军的反坦克雷区，猛攻苏第67近卫步兵师的防线，面对德军3个师的进攻，苏第67近卫步兵师难以低挡被迫后退，瓦杜丁于是把方面军预备队调了过来，以期能把德军挡在第二道防线外。但不幸的是德军还是于6日在苏军第二道防线上打开了一道缺口，并强渡了佩纳河。
在北线，苏军的炮击也使德军的进攻比计划推迟了2个半小时，在几十分钟的炮火准备和空中轰炸之后，德第9集团按计划开始了进攻。
莫德尔为了把苏军的注意力从德军的主攻方向上引开，先在左翼以3个步兵师实施佯攻，但被苏军阻止住了。在主攻方向，德军集中了4个装甲师和3个步兵师的兵力，经过激烈的战斗，他们突破了苏第13集团军的第一道防线，艰难地向前推进了5公里。但在两翼，苏军顽强地守住了阵地。在地面激战的同时，双方的空军也在进行激战，这一天德军出动了1000架多次，苏联空军也出动了600余架次。双方战至5日终了时，德军只向前突破不足10公里，却至少损失了70辆坦克。
由于德军的进攻比预计的要猛烈的多，瓦杜丁被迫取消了原定于7月6日的反攻，而将计划用于反攻的第1坦克集团军的部分坦克布置在防线后方以支援步兵进行防守，部分坦克布置在侧翼打击德军。这一天，德国空军出击了超过1000架次，完全压制住了苏联空军。经过一天激战，双方都受到了很大损失。
第二天清晨，德国第九军在1100辆坦克的配合下，也从南面向库尔斯克发起了进攻，进攻的各路坦克排成楔形以每平方公里100辆的密度实施冲击，同时120架轰炸机也对苏军阵地展开了疯狂轰炸。到这一天结束的时候，总纵深35公里的苏军防线已经被德军渗透了7公里。最初，德军在库尔斯克南面比北面进攻的顺利。到7月6日傍晚南北两方面的德军都突破了苏军的第一道防线。德国似乎将迎来一场完胜。然而，新的苏联红军由于深受1943年初斯大林格勒和其他战役胜利的鼓舞，绝不可能讲阵地拱手相让。在库尔斯克的北边防线，苏联部队抵抗得尤其顽强使德军的推进举步维艰。苏军炮灰不分昼夜地迎头痛击来犯德国部队。德军从南面的推进被迫放慢下来这里的苏军战略要点让他们感到十分棘手。德国装甲部队开始损兵折将很多坦克被地雷炸毁。德军坦克的发动机在后面，为了散热，上面覆盖着栅栏一样的盖子留有很大的空当，苏军士兵发现了德军坦克的这个致命缺陷，便想出了一个巧妙的应对方法。他们使用了一种简单而有效的武器：燃烧瓶。苏军在普通的玻璃瓶和酒瓶里装进汽油等可燃物，加上拉火管，拉了之后向德军坦克投掷。通常，燃烧瓶扔在德军炮塔上扔作用不大，但是如果扔到了德军坦克的传动部分中，就会使整个发动机包括变速箱的温度迅速上升，坦克就会熄火。同时，如果车辆着火，还会使整个坦克内部的温度迅速升高，也可能引起里面弹药的爆炸，导致坦克报废。
在库尔斯克战场的上空，苏德双方都出动了空军支持地面部队。这些被德军称作“黑死神”的飞机，便是苏联的伊尔-2强击机。伊尔-2强击机是苏军在二战中使用最频繁、生产数量最多的一种作战飞机。生产总数达到36000多架。它把速度、强度、机动、火力和装甲防护巧妙地结合在一起，是拥有两门23毫米航炮、3挺机枪、600公斤炸弹、4枚火箭弹的空中武器平台。
6日傍晚，瓦杜丁向华西列夫斯基请求增援，后者在得到最高统帅部的同意后，立即把草原方面军第5近卫集团军的第2和第10坦克军353辆坦克调往沃罗涅日方面军。同时瓦杜丁接到斯大林亲自打来的电话，要求他不惜一切代价，阻止德军在库尔斯克突出部南部的突破。
7月7日，曼施坦因将新的坦克集团投入了战斗，矛头直指库尔斯克南边的门户奥博扬。随后，又把兵力集中在一个狭窄地段，试图穿插或绕过奥博扬直逼库尔斯克。然而，在7日的战斗中，德军只向前推进了数公里，未能达成突破苏军防线的任务。第二天，德军仍然顽强地继续他们的攻势，而瓦杜丁也在计划反攻，为此他向最高统帅部请求把草原方面军的第5近卫坦克集团军和第5近卫集团军调给他指挥，他的请求很快就被批准了，但这些部队需要几天的时间才能到达。在制空权的争夺上，通过7、8两日的空战，苏联空军也逐渐扭转了劣势，完全夺取制空权只是时间问题。
战斗到7月8日，德军虽给苏军造成很大损失，但苏军依靠数量上的优势，坚守住了阵地，在波内里城内，德军付出惨重的代价后，占领了大半个波内里，但苏军仍控制着市内一些重要据点，使用德军无法继续推进。
7月9日是库尔斯克会战关键的一天，瓦杜丁指挥部队继续在正面抵挡德军向奥博扬推进，同时在两翼连续发动反击，虽然这些反击一次又一次的遭到失败，但却使德军无法全力以赴的攻击他们的主要目标。莫德尔以300辆坦克向苏军阵地发动了最后一次进攻，结果仍然是一无所获，此时德第9集团军的攻击能量已耗尽，莫德尔被迫在10日转入防御。德第4装甲集团军司令霍特见无法从正面突破奥博扬，便决定先从右翼突破，他命令第2党卫装甲军转向东北的普罗霍罗夫卡。接下来的两天，德军的进攻还比较顺利，他们攻到了普罗霍罗夫卡城下，库尔斯克会战的高潮——普罗霍罗夫卡坦克大战开始了。
“虎”式坦克
战后很长时间，史学家们一直认为在1943年7月12日苏德双方共有1500余辆坦克和自行火炮在普罗霍罗夫卡激战，普罗霍罗夫卡坦克大战也因此被认为是人类战争史上最大规模的坦克战，并闻名于世，成为一个传奇。随着时间的推移，大量资料的解密，尤其是冷战的结束，前苏联资料的公开，使得研究者们发现这次坦克大战的规模要比原先认为的小得多，双方直接参战的坦克和自行火炮也只有约600辆。其中德军不到200辆，苏军约400辆。7月12日晨，战斗打响，苏德双方几乎是同时发动了进攻，开始时，德军“虎式”坦克的88毫米炮优势明显，而苏军T-34坦克的76毫米炮在同样距离下无法对德军造成威胁，因此苏军坦克开足马力以最高速度冲向德军，希望能接近德军的坦克，发挥T-34机动性的优势来战胜笨重的“虎式”坦克。在冲锋过程中，苏军坦克付出了惨重代价。当双方接近后，战斗变得更加惨烈，坦克一辆一辆地被摧毁，但在被毁的坦克旁，双方的坦克兵仍在互相射击，甚至互相肉搏。战斗一直持续到傍晚，最后因双方都精疲力竭才停了下来，而战场上到处都是坦克残骸和尸体。战斗越激烈，在各方面都处于劣势的德军胜算就越低。
“虎”式重型坦克在前马克五型坦克在后以每平方公里150辆的密度向苏军展开冲锋。尽管“虎”式坦克攻击力极强，但是行驶速度每小时低于20公里，更由于德军战线狭长，经常是500到700辆坦克拥挤在一起推进，自身优势难以发挥。苏军决定以快制慢，利用T-34坦克的灵活性，以近距离作战消灭德国的“虎”式坦克。苏军的这一战术，令德军完全始料未及，顿时阵脚大乱。德国士兵阵亡、受伤以及被俘的多达15万人。相比而言，苏联红军的伤亡更加惨重。但是苏军比德军更承受的起这样的损失。因为苏联可以快速动员比德国数量更多的兵员。况且，苏联的坦克生产能力已经达到了每月两千辆是德国的两倍。苏军声称在库尔斯克战役中一共摧毁1500辆德军坦克几乎彻底摧毁了德国装甲兵的战斗力，完全扭转了库尔斯克南线战局使德军南线的进攻计划以失败告终。时任草原方面军司令员的苏联元帅科涅夫曾形象地比喻说：“库尔斯克会战是德国装甲兵这只天鹅在临死前最后动人的鸣叫。”
在这天的坦克大战中德军虽然以相对较小的损失，摧毁了更多的苏军坦克，但他们却没能攻占普罗霍罗夫卡，而随后源源赶到的苏军援兵使他们的防线将更加坚固。德军于7月17日开始后撤，到23日，双方基本恢复了交战前的态势。
另外苏联取得这样的战果，英国剑桥情报小组里一名叫做凯恩•克奥斯的苏格兰特工功不可没，当时可以接触到盟军截获到的德军电台通信情报，他向苏联最高司令部提供了这些情报。盟军当时已破译了德军“恩尼格玛”密码机机的密码。凯恩·克奥斯向苏联提供了德军新式坦克和参加库尔斯克坦克战役的德军作战序列的情报。
为了保密，英国政府当时不愿意向苏联提供有关德军的详细情报，凯恩克奥斯向苏联提供的情报使苏联在库尔斯克战役中战胜了德军。战役的胜利缩短了战争的进程，从而拯救了数百万人的生命。英国战争博物馆的二战史专家查尔明说：“凯恩·克奥斯作出的贡献非常重要，因为库尔斯克战役使德军损失惨重。他们在库尔斯克损失的坦克和士兵本可以用于其它地方，这可能会使我们的胜利更为艰难。”格拉斯哥大学的历史学教授马德斯利说：“凯恩·克奥斯和他的行为很重要是因为苏联在库尔斯克的胜利毫无疑问地缩短了战争的进程。库尔斯克战役是在斯大林格勒和阿拉曼战役之后进行的。当时的战争结果已没有疑问，但德军在库尔斯克战役的失败使德国的败局进一步加速。”
孙子曰：“故明君贤将所以动而胜人，成功出于众者，先知也。先知者，不可取于鬼神，不可象于事，不可验于度，必取于人，知敌之情者也。”这段话出自《孙子兵法》用间篇，意思是说：所以，明君和贤将之所以一出兵就能战胜敌人，功业超越众人，就在于能预先掌握敌情。要事先了解敌情，不可求神问鬼，也不可用相似的现象作类比推测，不可用日月星辰运行的位置去验证，一定要取之于人，从那些熟悉敌情的人的口中去获取。克奥斯把这些东西给了苏联情报总局，给苏联判断德军企图创造了好的条件。苏联红军在获悉了这些坦克的性能、数量和可能战术之后制定了相应的反制措施，打赢了二战史上最大规模的坦克战。
就在库尔斯克战役达到白热化的时候，7月10日，盟军实施了“火炬”计划，由蒙哥马利指挥的英国第八集团军和巴顿指挥的美国第七集团军在意大利的西西里岛大举登陆。因此，腹背受敌的希特勒决定暂停进攻库尔斯克的“堡垒”计划7月13日，希特勒紧急召回曼施坦因，停止“堡垒”计划抽调兵力到意大利增援。7月13日他召集克鲁格、曼施坦因等人到他的 “狼穴”总部开会，宣布这一决定，由于中央集团军群现在糟糕的局势，克鲁格赞同希特勒的决定，但曼施坦因则强烈地反对，他认为苏军已是强弩之末，只要多坚持一下德军就能取得胜利。基于对曼施坦因的信任，希特勒虽然终止了“堡垒”计划，但他同意曼施坦因继续在南线进攻。
然而，苏军统帅部却正策划着在库尔斯克的北面展开新的反攻。苏军计划的第一步便是集中火力粉碎德军的防御系统。苏联“喀秋莎”火箭炮尖利的呼啸声和密集的杀伤力令德军感到十分恐惧，适合夜间作战著称的多功能2S轻型轰炸机能够迅速打击德军防线上的目标，而成群的伊尔-2地面攻击机同样显示出了巨大威力。
与此同时，苏联敌后游击队遵循游击运动中央司令部的命令快乐大规模的铁道战他们在长达1000公里。纵深750公里的广阔地带对德军的交通线给予了极大的打击。仅8月3日这一夜就破坏了42000千根铁轨，这使德军的精锐部队不得不抽调兵力保护交通线。
前线的苏军仍然在乘胜反攻，斯大林命令不能让敌军有片刻喘息机会因此，苏军一波攻击刚刚结束又会在其他地方随即发起第二波攻击。7月12日和15日，苏军先后在库尔斯克的北部和南部转入反攻，德军一路败退。德军在最南端高加索地区的阵地失守被迫向乌克兰后撤。从8月5日起苏军陆续收复了奥廖尔、顿巴斯等重要城市。8月22日下午，德军被迫由哈尔科夫地区开始撤退。
德军无力阻止苏军进攻的步伐，但是希特勒又拒绝了一个可能抑制住苏军的计划。“堡垒”行动后不久，隆美尔就想出了一种可能奏效的办法：建立一条纵深达六英里的地雷密布的防线，由德军现存所有可以找到的反坦克炮加以保护，苏军坦克在这样一条防线前面只能望而却步，他们接下来只有艰难地开辟前进道路，与此同时，德军可以在其后面构筑更多的地雷阵和反坦克屏障。
“在这一点上他心意已决，”古德里安写到：“想让他回心转意绝无可能。”
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