在SS军团左侧是身经百战的第48装甲军，右侧还有肯夫军团的300辆坦克支援。自清晨发动攻击开始，德军就陆续遭到苏军数个机械化部队的攻击，到了大约上午9点，两军的主力终于在普洛赫洛夫卡城的南郊遭遇。
作为苏军先锋的第5近卫坦克军团首先冲进了德军的队伍中。德军坦克炮虽然能在1500至1800米的距离开火，但此刻它们面对苏军坦克的全速出击只能望洋兴叹，于是两军很快纠结在一起。在这种情况下，德军虎式坦克强力的火炮以及苏军的拉—5Ｈ型坦克，都无法讨到什么便宜，它们那巨大的炮塔不易旋转反而成了致命伤。不多久，草原上到处都是坦克的残骸。浓密的硝烟弥漫着战场，坦克行进和射击扬起的沙土更阻碍了两军的视野，双方的士兵也混杂在其中互相厮杀。
在近距离对攻中，无数的惨烈战斗不断地在上演，炮声、枪声、爆炸声和哀嚎声处处可闻。坦克乘员侥幸从燃烧的坦克里爬出后，往往被迫拿起步枪像步兵一样地作战，有时双方的坦克兵甚至用匕首肉搏。
就在南线坦克部队激战正酣之时，北线也展开了正面对攻。不过唱主角的却不是坦克而是空军.担任北线防御的苏联空军第16集团军，从开战第一天起就同德军展开了激战。空战中，苏联飞行员表现出的机智勇敢令德军吃惊不小，加上飞机本身性能良好，于是一架架德军飞机拖着浓烟撞向地面，往往还误中自己的坦克。战斗中，苏军研制的聚能炸弹大显神威，强击航空兵第291师使用这种武器，一口气便干掉了德军坦克30辆，以致德军坦克参谋长梅伦将军悲叹道：“许多坦克成了苏联空军的牺牲品，俄国飞行员表现得特别勇敢。”
在空军的有效支援下，苏军地面部队顽强地顶住了各路强攻的德军。到7月5日夜，德军仅在奥利霍瓦特卡方向楔入苏军防御区6~8公里。
然而，防御战役的第二天表明，苏联空军为压制和消灭大量目标分散了自己的兵力。歼击机的作战也暴露出一些缺点：他们迷恋于同敌战斗机作战，有时竟把敌轰炸机置之于不顾；有些歼击机巡逻队只在己方上空值班待命，没有按高度作梯次配置，这样就只能通过不间断的空中巡逻来掩护地面部队，造成了兵力的大量消耗。
7月6日，苏军航空兵克服了前一天作战中存在的缺点。他们注意监视空中情况，必要时还用机场值班分队来加强歼击机巡逻队。为了更加主动地打击德机，他们甚至还大胆地把巡逻警戒线推至敌占区空域。
德军航空兵遇到顽强的抵抗，其攻势严重受挫。而苏军航空兵却不断加强突击，这一天出动架次比7月5日多了一倍。在战斗机的92次空战中，共消灭德机113架。轰炸、强击航空兵也于6日展开了强大的反突击，给楔入防线之敌造成重大杀伤。
从7月7日开始，苏军牢牢地掌握了战区北部的空中主动权，大部分德军轰炸机还未开到战场即遭到了拦截，并且损失惨重。
至10日，德军在奥寥尔—库尔斯克方向上的进攻能力已经枯竭，不得不转入了防御。首先，北线作战中，苏空军第16集团军出动飞机7600架次，远程航空兵出动800架次，共消灭德军飞机517架，有力地支援了地面部队粉碎德军进攻。陆军部队对他们的表现给予很高评价，第13集团军总指挥在报告中写道：“请向空军全体人员转达我们地面部队的衷心感谢，感谢他们从空中给我们的积极支援。我们都怀着爱戴的心情赞扬自己的战友从空中实施的成功突击。”
在南线，担任防御的苏军航空兵打得更加顽强。当德军从别耳哥罗德向库尔斯克城以南的奥博扬发起主攻后，沃罗涅日方面军几乎将其所有兵力都集中到了奥博扬一线。从5日开始，双方又展开了歼击机大战，参战飞机之多、空战频率之高、战况之惨烈，均达到惊人的程度。在宽20公里、长69公里地区上空，同时有双方的2000多架飞机在纵横交织，几乎遮蔽了天空。一次参战的飞机常常多达100~150架。7月5日双方编队空战达99次。至10日止，仅空军第2集团军的歼击机就进行了205次空战，击落德军飞机330架，自己只损失153架。
强击航空兵和轰炸航空兵主力，用于打击猖狂北进的德军坦克集团。头两天，强击机和轰炸机都以6~8机编队活动，收效并不很大。后来为了提高突击效率，减少飞机的损失，便改以30~40机编队实施集中突击。因为大编队强击机和轰炸机的防御能力更强，歼击机也更容易掩护。如此铺天盖地的空中火力，给德军的进攻造成了极大的困难。
德国空军历来以作战迅速勇猛而一度让盟军伤透脑筋，此次在库尔斯克的表现当然也不同凡响。他们对苏军地面部队的空袭曾一度十分凶猛。7月8日清晨，德军第一个反坦克大队——第9强击联队第4大队在巡逻中发现别耳哥罗德以北有苏军1个坦克旅，正向德军的侧翼运动，立即集中了全大队的56架HS-L29B2强击机展开超低空迎头痛击，30毫米穿甲弹雨点般飞向坦克集群，短短几分钟内便有6辆坦克起火燃烧。苏军被迫停止了攻势后撤。
面对苏军优势兵力的顽强抵抗，7月10日，损失惨重的德军被迫中止了对奥博扬的进攻，德军第一阶段南北对进计划就这样被无情粉碎了。但是，希特勒不肯罢休，他进行了重新部署，把进攻重点放到南线，将坦克师、机械化师和航空兵的主力调到了奥博扬东南的普罗霍罗夫卡地域，打算从东南方向迂回包抄库尔斯克。沃罗涅日方面军针锋相对，及时调整了自己的部署，决心以攻对攻，彻底粉碎进攻之敌。
至7月23日，沃罗涅日方面军的部队完全恢复了7月5日前所处的位置。在别耳哥罗德—库尔斯克方向防御战役期间，苏军航空兵共出动飞机1926架次，击落德机899架。至此，希特勒攻占库尔斯克的“卫城作战”计划彻底破产。
3.库尔斯克大反攻
苏军士兵在坦克掩护下冲向敌阵早在战役开始之前，苏军统帅部在作战计划中就明确规定，在挫败德军攻势后，应抓住战机，对德军占领区实施全面反攻。7月12日，双方南线部队鏖战普罗霍罗夫卡之际，苏军便在北面开始执行“库图佐夫”计划，一直伺机而动的西方面军和布良斯克方面军分别从奥寥尔突出部的北、东两个方向发起了强大攻势，总兵力超过德军两倍，占据了绝对优势。
战斗开始前夜，苏军远程航空兵和夜间轰炸航空兵在两个方向上进行了长时间、大规模的航空突袭，对德军火炮阵地、防御支撑点和兵力集结地域彻夜猛轰，炸得德军晕头转向。其中在东线出动了600多架次，投弹550吨。12日晨，各路航空兵又以猛烈的直接火力和施放烟幕掩护陆军发起了地面冲击。北线，强击航空兵也连续出动，为进攻部队清障开道。
发起进攻1小时后，德军轰炸机群飞临战场上空，企图对苏军部队实施突击。早在空中和机场待战的近卫歼击航空兵第1军的歼击机立即迎击，它们以猛烈的攻击将德轰炸机队形打乱，使其无法对苏军部队进行瞄准轰炸。
当日，苏军航空兵共出动飞机2174架次，空战72次，消灭德机86架，自己则损失59架。与苏军飞行员共同作战的还有“自由法国”志愿飞行员组成的“诺曼底”大队，他们由戴高乐将军派遣，于1943年5月到达前线，编入空军第1集团军。他们在同德机的格斗中表现尤为英勇，到7月底，已击落敌机30余架。
在8天之内，苏联西方面军部队推进了70公里，布良斯克方面军部队推进了20公里。德军急忙增调来10个师的兵力，发起了强大的反冲击。苏军空军出动第1和第15集团军的几乎全部兵力，对德军反冲击部队实施全力突击，打得德军人仰马翻、尸横遍野。仅7月25日一天，空军第1集团军就消灭德军大约25辆坦克、150辆汽车、5个炮兵连和大量步兵。到7月29日止，博尔霍夫的德军集团完全被粉碎。
在东线，强击航空兵第3军于12日晨也向德军发起猛攻，消灭和压制突破地段上的敌军火器和部队。在部队发起冲击前5分钟，89架轰炸机又对德军一些重要的抵抗枢纽和炮兵阵地投下了500枚爆破弹和3000多枚杀伤弹。
轰炸机、强击机和炮兵的集中突击，打得德军士气沮丧，防线土崩瓦解，苏军乘势顺利推进。强击机不停地消灭德军残存的发射点和抵抗枢纽部。苏军地面部队在航空兵的支援下节节推进，到7月16日已前出到奥列什尼亚河。7月19日，德轰炸机以8~35机编队在战斗机掩护下出动，攻击北线苏军坦克兵团，严阵以待的苏军歼击机与之展开激烈空战，击落德机23架，其余德机落荒而逃。8月4日拂晓，苏军突入奥寥尔城，一天之内城内德军便全部被肃清。
在北线，坚守在那里的中央方面军也于7月15日对奥寥尔突出部南翼发起猛攻。空军第16集团军每天出动飞机1000多架次，实施强有力的空中支援。8月6日，苏军收复了奥寥尔市南面重镇克罗梅。
德军兵败如山倒，全线大溃逃，苏军乘胜转入追击。侦察机频频升空，四下捕捉德军动向，轰炸机、强击机、歼击机昼夜不停突击奥寥尔一带的公路、铁路网，无情追杀逃窜中的德军车队。8月6日至10日，德军有60列列车和大批坦克、汽车被击毁，死伤惨重。8月18日，奥寥尔反击战胜利结束。此役苏军航空兵共出动60995架次，投弹5000吨，为战役胜利立下了大功。
南线的大反攻从8月3日开始。反攻前夜，远程航空兵飞机在突破地段实施了突击。翌日晨，在部队发起冲击前两小时，空军第2集团军的轰炸机和强击机在歼击机掩护下，对突破地段上的敌支撑点进行了压制。而在部队发起冲击前，两个空军集团军又有200多架飞机对主要防御地带内的目标实施了集中突击。
在苏军航空兵和炮兵的有效打击下，德军支撑点的火器有的被击毁，有的被压制，所以在进攻的头30分钟内，德军基本上没有进行抵抗。个别炮兵刚准备开炮，便被战场上空的苏军强击机发现并击毁，沃罗涅日方面军当日上午即占领了德军主要防御地带。
困兽犹斗的德军把大量航空兵投入被突破地段，意欲阻止苏军的进攻。其轰炸机主要以小编队活动，重点突击苏军进攻的步兵和坦克。但每次袭击都遇上了苏军歼击机的猛烈拦截，纷纷败下阵来。在强有力的空中掩护下，沃罗涅日方面军的坦克集团军很快突破了德军防御，到8月3日夜已向前推进了26公里。草原方面军部队也突破敌防线，楔入7~9公里。
8月5日，草原方面军部队首先解放了别耳哥罗德，并向哈尔科夫防线外围逼近。几日后，沃罗涅日方面军也将德军别耳哥德—哈尔科夫集团军拦腰切成两段。
德军急忙把预备队从其他地段调往哈尔科夫一带。苏军空中侦察机及时发现了德军的调动，苏军也采取了果断的措施，调来大批航空兵给予打击。南方面军空军第8集团军第一个投入对德军预备队的战斗，其轰炸机向调往哈尔科夫地区的敌坦克兵团和摩托化兵团发起猛烈攻击。空军第17、第5和第2集团军的轰炸机和强击机也先后参战。它们成功地袭击了沿线许多铁路车站，消灭了行进途中的许多军列和汽车纵队。
由于苏联陆军和空军协调一致的行动，德军的反突击一直未获成功。空军第2集团军的飞行员几天中就消灭了德军数十辆坦克、数百辆汽车，以及几个火炮和追击炮连。德军损失惨重，被迫退却。
当沃罗涅日方面军正在抗击德军的反突击的同时，草原方面军又于8月18日突破了哈尔科夫外围防线，对敌构成三面合围态势。德军弃城出逃，苏军立刻派出空军第5集团军几乎全部兵力进行阻截。仅8月21日至22日，苏军就出动1300架次，击毁、击伤坦克多辆、汽车上百辆。
总之，在别耳哥罗德一哈尔科夫方向的反攻中，苏联航空兵共出动飞机28265架次，为陆军部队完成任务创造了很好的条件。
自7月12日开始，苏军的反攻便一浪高过一浪，蓄势已久的苏军投入了大批的预备队，使得库尔斯克一带的苏军累计兵力多达264万人、火炮5万多门、坦克8200辆，飞机也多达6950架。连日来德军也对库尔斯克增援，一共投入了15万余人，16万门火炮以及5000辆坦克、5000架飞机。
7月13日，希特勒紧急召回克鲁格和曼斯坦因两位前线总指挥，在一番商议后，克鲁格兵团撤出苏联前线，用于防守英美盟军在意大利的新攻势。最终，希特勒只同意让曼斯坦因单独继续作战。曼斯坦因也认为自己军队已到了胜利的边缘，只要继续努力就一定能消灭南部苏军主力。