1943年4月希特勒和他的司令官們也在德軍的大本營中緊張地準備著作戰計劃。作為南方集團軍群司令的曼施泰因，仔細分析了戰場的局勢，得出結論：德國最好的結局，就是設法消耗蘇軍的實力，然後伺機使前蘇聯接受一個不分勝負的和平。為達到這個目的，德軍應絕對避免使用靜態防守的戰術。為此，曼施泰因向希特勒提出了兩個東線戰場作戰計劃草案：一是放棄頓涅茨河和米斯河防線，把蘇軍誘入頓河下游，再使用預先集結在那裡的德軍裝甲部隊攻擊蘇軍側面，將其圍殲；二是先發制人，在蘇軍補充冬季損失之前，就發動攻擊。至於德軍攻擊的目標，曼施泰因認為應選在蘇軍在庫爾斯克城周圍的突出地區。
希特勒
1943年4月15日，希特勒發佈了第6號訓令。他在訓令中說：“這次進攻具有決定性意義，它應迅速完成並取得決定性的勝利。這次進攻應使我們得以掌握今年春夏兩季的主動權……每個指揮官和士兵都必須深刻理解這次進攻的決定性意義。庫爾斯克地區的勝利應當成為照耀全世界的火炬。”為此，德軍最高統帥部擬定了代號為“堡壘”的作戰計劃。計劃自北面奧廖爾和南面別爾哥羅德向庫爾斯克突出部實施向心突擊，圍殲蘇中央方面軍和沃羅涅什方面軍，攻佔庫爾斯克，爾後向西南方面軍後方突擊。
為實施“堡壘”計劃，德軍調集了中央集團軍群和南方集團軍群的17個裝甲師、3個摩托化師和16個步兵師。北面中央集團軍群派出了由莫德爾指揮的第九集團軍，轄有6個裝甲師、1個摩托化師和11個步兵師；南翼南方集團軍群出動了兩個軍團，他們是霍特指揮的第四裝甲集團軍和肯夫指揮的肯夫兵團，共有11個裝甲師、2個摩托化師和5個步兵師。另外約有20個師準備在突擊集團翼側行動，第四、第六航空隊進行空中支援。總兵力為90萬人，2700輛坦克，1萬門火炮和2000多架飛機。
虎王蓄勢待發
蘇軍在庫爾斯克突出部地域集結了130萬的兵力，2萬多門火炮，3400輛坦克和2100餘架飛機。北邊是羅科索夫斯基指揮的中央方面軍，南邊是瓦圖京指揮的沃羅涅什方面軍。瓦圖京是一位極其博學多才、英勇果敢的軍事首長，他個人在戰役和戰略方面表現出了卓越的指揮才能。另外突出部的北面有波波夫指揮的布良斯克方面軍，南邊是馬利諾夫斯基的西南方面軍。突出部後方的預備隊則是可涅夫指揮的草原方面軍。總兵力超過200萬，坦克更多達5000輛。
曼施泰因建議發動進攻的時間最好選在5月上旬，那時地面乾燥，利於德軍裝甲部隊的行動，而此時蘇軍尚未調集足夠的裝甲兵力。但因德國的新型“虎”式、“豹”式坦克交貨遲誤，而希特勒堅持要等到擁有足夠的新型坦克才發動攻擊。結果等到7月初，希特勒終於決定於7月5日凌晨3時30分展開攻擊，這時德軍的先利之機已經喪失殆盡。
就在德軍準備於5月上旬發起進攻時，蘇方情報部門就獲得了情報。於是，蘇軍統帥部把作戰警報和命令傳了下去，要求各部隊嚴陣以待，隨時作好禦敵準備。整個5月和6月，朱可夫和華西列夫斯基都沒有離開過部隊。他們晝夜不停地與方面軍和集團軍司令員們以及兵團指揮員們一起工作，每天只有很少的時間稍事休息，有時甚至要通霄達旦地工作。組成最高統帥部代表的兩個臨時參謀部的總參謀部人員，也和他們一起從事艱苦的、可謂嘔心瀝血的勞動。他們共同特別仔細地組織了沃羅涅什方面軍和西方面軍接合部上的協同，以及西方面軍和布良斯克方面軍接合部上的協同。此時的蘇軍早已作好抗擊德軍突擊的準備，對反攻的各項細節已完全明確。斯大林命令，朱可夫留在奧廖爾方向上協調中央方面軍、布良斯克方面軍和西方面軍的行動。華西列夫斯基則被派往沃羅涅什方面軍。
曼施坦因
7月2日，蘇軍總參謀部終於接到德軍轉入進攻的最新情報。情報說，德軍最遲不超過7月6日在庫爾斯克方向展開攻擊。總參謀長華西列夫斯基立即電令各部隊嚴加戒備。7月4日，一小股德軍透入蘇軍陣地進行火力偵察，戰鬥中一名德軍士兵被俘，他向蘇軍供認，他們每人分到了一份乾糧和伏特加酒，為的是明日拂曉轉入突擊。蘇軍統帥部當即將這一最新情況通報了各前線部隊指揮官。
7月5日凌晨2時20分，蘇軍沃羅涅什方面軍搶先實施了炮火和航空兵的反準備。霎時，隆隆的炮聲，飛機的轟鳴聲，各種炸彈的爆炸聲打破了深夜的寧靜。戰爭史上著名的庫爾斯克大會戰開始了。
本來，蘇軍是防禦性作戰戰略，但這提前的反準備炮火卻使德軍前沿陣地的官兵以為是蘇軍要向他們進攻了。蘇軍的炮火先行摧毀了德軍部分炮兵陣地，打亂了德軍前沿陣地的通訊指揮系統。不過蘇軍的反準備炮火略微早了些，倘若再晚30～40分鐘，那麼效果可能更好。因為德軍裝甲部隊和步兵大多未開始進攻前的集結。
7月5日清晨6時左右，德軍終於開始發起進攻。德軍統帥部審慎地，但卻十分呆板地執行著他們事先制定的“堡壘”計劃，把兵力集中在戰場的狹窄地段上。他們的打算極其簡單，那就是從庫爾斯克突出部兩個相反的方向上同時突破蘇軍防禦，並從北面和南面向庫爾斯克總方向實施相向的或當時所謂的向心突擊，切斷蘇軍配置在該處的部隊，爾後加以消滅。
費迪南殲擊車首次投入戰場
在北面奧廖爾方向上，莫德爾投入了第九集團軍的3個裝甲師及4個步兵師，共約500百輛坦克及自行強擊炮，從40公里寬的正面向蘇中央方面軍第十三集團軍的左翼進攻。德軍坦克梯隊大都排成一個楔形，衝在前端的是10～15輛裝甲最厚的“虎”式坦克和“斐迪南”式自行強擊炮。“斐迪南”式自行強擊炮是當時德軍裝甲最厚的突擊炮，88毫米炮可以在1800米的距離擊毀“T－34”坦克。雖然它靠著厚重的裝甲突破了蘇軍陣地，但由於在設計上沒有配備機關槍，不能摧毀蘇軍火力點，因而使步兵無法跟進，結果在失去步兵掩護的情況下，很快就被蘇軍擊毀。第九集團軍整個白天的5次突擊進攻都被擊退。只是到了傍晚，莫德爾再次投入兵力，才勉強入蘇第十三集團軍的陣地。即使這樣，最大縱深也只有6公里，更多的是2～3公里。
虎王
同日，南方集團軍群從南面的別爾哥羅德發起進攻，曼施泰因在不足50公里的正面展開了3個裝甲軍，由左至右分別是第四十八裝甲軍、第2SS黨衛裝甲軍（屬霍特的第四裝甲集團軍）及第三裝甲軍（屬肯夫兵團），進攻兵力共8個裝甲師、1個機械化師及5個步兵師，坦克共約700百輛。當天，霍特的楔形坦克隊在空軍及炮兵的強力支援下，順利地突破蘇軍近衛第六集團軍的陣地。傍晚的一場雨使得攻勢暫時停了下來，肯夫的部隊也在近衛第七集團軍的陣地前受挫。
費迪南坦克殲擊車
7月6日清晨，德軍再次發起進攻，所有各部隊的正面全都是激烈的血戰。莫德爾的第九集團軍在傷亡慘重及彈藥大量消耗下不得不放棄了前進。兩天以來，第九集團軍僅僅前進了6～9公里而已，然而卻付出了死傷2.5萬人、200輛坦克和自行火炮以及200架飛機的代價。在南面，南方集團軍群的3個裝甲軍在損失了近200輛坦克後，繼續向奧博揚方向緩慢逼進。
7月7日，莫德爾投入了預備隊，但他發起的5次攻勢都沒能獲得多大的進展。南面霍特的攻勢則比較順利，第四十八裝甲軍順利地突破了幾個據點，擊退了蘇軍第三機械化集團軍。
在前3天的戰鬥中，中央集團軍群擊毀了379輛蘇軍坦克，南方集團軍群則擊毀了483輛。這總共862輛的坦克，德國空軍即包辦了291輛，而德國空軍本身只損失了54架飛機而已。
7月8日，莫德爾集結了300輛坦克再度發動了猛烈的攻勢。首當其衝的是蘇軍第三反坦克旅。蘇軍炮兵直到650～750米的距離才開火，並且大都能堅守炮位。其中一個營在摧毀17輛坦克後，全營只剩3人存活。第三反坦克旅也幾乎全軍覆沒。在南面，蘇第三機械化集團軍以40輛“T－34”坦克對德軍第四十八裝甲軍展開反擊，結果以大敗收場。
戰至7月10日，莫德爾已經用完了所有的預備隊，並且損失了全軍將近2/3的坦克。羅科索夫斯基的中央方面軍漸漸對德第九集團軍展開反擊，莫德爾只得轉攻為守。在南面，霍特前進到了戰略要地奧博揚附近，嚴重威脅到庫爾斯克的南面。其間主力“大德意志”師的“豹”式坦克頻頻產生機械故障，但是該師仍然能夠發揮相當的戰力。位於攻擊正面中央的第2SS黨衛裝甲軍，與第四十八裝甲軍聯手擊退了蘇軍第一坦克集團軍及近衛第二、第五坦克軍，迫使蘇軍後退並重整防線。同時肯夫兵團也打通一條進路，鞏固了第四裝甲集團軍的右側翼。
到7月11日為止，北面中央集團軍群的第九集團軍大約突破了20公里，不過似乎已經無法再前進了。南面南方集團軍則前進了30多公里，3個裝甲軍都突進到了奧博揚以及交通要地普羅霍羅夫卡的前方。但蘇軍在炮兵及空軍的強力支援下，瓦圖京的沃羅涅什方面軍擋住了南面德軍進一步佔領奧博揚的企圖，同時也向朱可夫請求增援。朱可夫於是下令可涅夫的草原方面軍向普羅霍羅夫卡增援。德軍在11日的攻勢裡擊毀了220輛蘇軍坦克和70架戰機。自“堡壘作戰”發動以來，蘇軍已經損失了1640輛坦克、1400門火炮以及被俘虜了2.8萬人。
豹式坦克
7月12日，防守北面奧廖爾突出部的德中央集團軍群的第二裝甲集團軍遭到蘇軍西方方面軍、布良斯克方面軍及中央方面軍的攻擊，中央集團軍群總部不得不把莫德爾的第九集團軍的4個師抽回防守，德軍北面攻勢因此停頓下來。
在南面，南方集團軍群的裝甲軍繼續向奧博揚和普羅霍羅夫卡實施猛烈突擊，擔任主攻的是豪瑟指揮的第2SS黨衛裝甲軍，轄有近700輛坦克，其中約100輛是“虎”式坦克。其左側是第四十八裝甲軍，右側還有肯夫兵團的300輛坦克支援。
虎式
當日上午9點，在普羅霍羅夫卡城的南郊，第2SS黨衛裝甲軍遭遇到草原方面軍派來增援的部隊，主要是羅托米斯托夫指揮的近衛第五坦克集團軍，該集團軍擁有850輛坦克，大部份是“T－34”坦克。另外還有近衛第五集團軍。這兩個部隊自7月初即被保留作為預備隊，兵員及裝備都經過充分的補充。
兩軍裝甲主力相遇後，很快就絞殺在一起。德軍的坦克炮雖然能在1500～1800米的距離開火，但在這種情況下，“虎”式坦克強力的火炮及厚重的裝甲都討不到什麼便宜，反而是巨大的炮塔不易旋轉成了致命傷。不多久，草原上到處都是坦克的殘骸。濃密的硝煙瀰漫了戰場，坦克行進和射擊揚起的沙塵更阻礙了兩軍的視野，兩軍的士兵也混雜在其中互相廝殺。炮聲、槍聲、爆炸聲、喊殺聲和哀號聲響成一片。坦克手僥倖的從燃燒的坦克裡爬出後，往往被迫拿起步槍像步兵一樣地作戰，有時雙方的坦克手甚至用匕首肉搏。除第2SS黨衛裝甲軍外，第四十八裝甲軍也遭遇了蘇第一坦克集團軍和近衛第六集團軍。
肯夫兵團到了下午也投入了普羅霍羅夫卡的戰鬥。德軍第四航空隊和蘇軍第二、第十七航空軍的飛機都盡全力支援地面戰鬥，空中和地面爆炸聲不絕於耳。
這場在普羅霍羅夫卡展開的空前規模的坦克大戰一直持續到傍晚才結束。在歷經8個小時血戰後，德第2SS黨衛裝甲軍和蘇近衛第五坦克集團軍都損失了超過350輛坦克，德軍步兵傷亡多達1萬人。到7月12日為止，南方集團軍群擊潰了蘇軍10個坦克軍或機械化軍的預備隊，向前突破了30～40公里。俘獲蘇軍2.4萬人，繳獲、擊毀蘇軍坦克1800輛、野戰炮267門、戰防炮1080門。
152殲擊車
蓄勢以久的蘇軍投入了大批的預備隊，使得庫爾斯克一帶的蘇軍累計兵力多達264萬人、火炮52500門、坦克8200輛，飛機也多達6950架。連日來德軍也對庫爾斯克增援，共投入了154萬人、1.6萬門火炮以及5000輛坦克、5000架飛機。
7月13日，希特勒緊急召回克魯格和曼施泰因開會。他首先宣佈英美聯軍已於7月10日在西西里島登陸，意大利的局勢惡化。希特勒認為德軍必須要抽調兵力到意大利和巴爾幹半島，因此“堡壘”作戰計劃可能被迫停止。中央集團軍群司令克魯格也支持停止該作戰，因為蘇軍已經開始攻進奧廖爾突出部，突出部有將近60萬德軍，包括49萬戰鬥部隊。如果不及早將德軍撤出該地區，極可能會重演斯大林格勒的悲劇。曼施泰因則認為德軍已經到了勝利的邊緣，就這樣放棄苦戰的成果未免太可惜了，他表示至少要把蘇軍的預備隊全部擊潰才罷手。最後希特勒還是根據地中海和中央集團軍群的情況，決定停止“堡壘”作戰計劃。作為妥協，他同意讓曼施泰因的南方中央集團軍群繼續攻擊庫爾斯克的蘇軍，直到擊潰蘇軍裝甲預備隊為止。
IS-2重型坦克
在北面奧廖爾方向，蘇軍於7月12日就開始轉入反攻。首先打響的是由蘇軍西方面軍所屬近衛第十一坦克集團軍和布良斯克方面軍參加的“庫圖佐夫”進攻戰役。蘇軍投入的兵力達到128萬人、2萬門火炮以及2400輛坦克、2000架飛機。蘇軍火炮的密度達到每公里150～200門，坦克密度也達到每公里15～20輛。儘管德軍的防禦是縱深梯次配置的，工事十分完備，抵抗也很頑強，蘇軍還是突破了敵人的防禦並開始向奧廖爾總方向上推進。
德軍在奧廖爾地域陷入慌亂，開始由中央方面軍當面的德軍集團抽調部隊來對付布良斯克方面軍和西方面軍所屬的近衛第十一集團軍。蘇軍中央方面軍毫不延遲地利用了這一有利形勢，於7月15日轉入反攻。於是，在奧廖爾地域，希特勒經過長期準備的總攻就這樣徹底垮臺了。德軍嚐到了慘重失敗的苦頭，嚐到了前蘇聯猛烈壓向仇敵的武器的全部威力。希特勒製造的“夏季德軍的進攻往往取勝，蘇軍則只能退卻”的神話也不攻自破了。7月16日，德軍完全停止了衝擊，並開始向別爾哥羅德撤退後勤部隊。
SU-152
7月18日，朱可夫和華西列夫斯基來到第六十九集團軍、近衛第五集團軍和近衛坦克第五集團部隊交戰的地段上。他們親自觀察了“共青團員”國營農場和伊萬諾夫新村地域的激烈戰鬥。在該處作戰的是坦克第二十九和第十九軍。德軍在這裡進行了猛烈的火力抵抗，甚至還轉入反衝擊。近衛第五集團軍和近衛坦克第五集團軍總共才把敵人擊退4～5公里。近衛第六集團軍只佔領了上佩尼耶地域的一個高地，該集團軍的部隊過度疲勞了，從7月4日起，他們就沒有睡覺、沒有休息地一直戰鬥著。需要增補兵力，才能打亂德軍部隊有計劃的撤退。為此，不得不把第五十三集團軍部分部隊和坦克第十八、第十九軍的部隊投入交戰。
KV2重型坦克
蘇軍最高統帥部、總參謀部及沃羅涅什方面軍首長根據對情況的分析判斷，認為敵人不只是對一個近衛第六集團軍，而是對近衛第六和第七兩個集團軍實施主要突擊。關於防禦地帶的寬度，預料將遭到德軍主要突擊的近衛第六和第七集團軍的防禦正面為114公里，而方面軍的其他兩個集團軍的防禦正面為130公里。關於炮兵和坦克的平均密度，實際上在第三十八和第四十集團軍的地段上，炮兵密度不大，至於坦克則只有少數幾輛。而與此同時，在近衛軍第六和第七集團軍地帶內，幾乎集中了前蘇聯最高統帥部預備隊的全部炮兵部隊和兵團、方面軍的全部坦克部隊和兵團以及全部方面軍預備隊。
庫爾斯克會戰的第一階段（防禦交戰），蘇軍中央方面軍部隊是7月12日結束的，沃羅涅什方面軍部隊是在7月23日結束的。結束防禦行動的時間不同是由於戰役的規模和遭受損失程度的不同而決定的。由於布良斯克方面軍和西方方面軍7月12日對敵奧廖爾集團轉入進攻並迫使敵人迅速從與蘇軍中央方面軍對峙的部隊中撤走7個師，從而給了中央方面軍很大的幫助。
庫爾斯克會戰的第二階段（反攻）也不是同時開始的。例如，在別爾哥羅德地域，反攻是在8月3日發起的，比中央、布良斯克和西方面軍的反攻遲了20天。這三個方面軍的部隊完成反攻準備所需時間較少，因而反攻計劃和反攻的全面保障，早在防禦交戰過程中就已準備就緒。而在別爾哥羅德地域，沃羅涅什方面軍，特別是草原方面軍完成反攻準備所需時間較多。草原方面軍部隊當時還是戰略預備隊，因而還不可能瞭解具體任務、反攻出發地域及將要與之作戰的敵軍情況。其反攻任務是後來才賦予的。沃羅涅什方面軍部隊轉入反攻時的條件要比奧廖爾地域更復雜些。該方面軍部隊在防禦交戰階段，其人員、技術兵器和物資器材都受到很大損失。退往預先構築好的防禦地區的敵人，及時佔領了防禦地區並作好了抗擊蘇軍進攻的準備。偵察查明，德軍為了加強其別爾哥羅德—哈爾科夫集團，已由其他方向倉促調來坦克和摩托化師。所有這一切說明，這裡的交戰將更為艱苦、更為激烈。轉入反攻必須等兩個方面軍都完成了充分準備後才有可能進行，而這是需要很多時間的。
SU-152
8月3日晨，蘇軍沃羅涅什方面軍和草原方面軍在別爾哥羅德地域發起反攻。沃羅涅什方面軍實施了異常猛烈的炮兵和航空兵火力突擊，致使已轉入進攻的、加強有大量坦克的近衛軍第五和第六集團軍部隊迅速突破了敵人的主要防禦地帶。當日下午，坦克第一和近衛坦克第五集團軍進入突破口，日落前其先遣兵團推進了30～50公里，從而摧毀了該地段上的敵整個戰術防禦。草原方面軍沒有像沃羅涅什方面軍那樣擁有如此強有力的突破兵器，進攻發展稍慢一些，日落前其先遣部隊推進了15公里。草原方面軍各集團軍所遇到的是敵人更加堅固和縱深更大的防禦。
8月4日，敵人抵抗增強，致使草原方面軍的進攻速度極為緩慢。儘管如此，蘇軍最高統帥部並不十分著急，因為沃羅涅什方面軍的突擊集群已挫敗敵別爾哥羅德的翼側，正順利向前推進。德軍感到在這裡有被合圍的危險，於8月4日日落前開始撤退其部隊，從而使草原方面軍推進速度加快。
8月5日晨6時，近衛步兵第八十九師所屬近衛步兵第二七○團以及步兵第三○五和三七五師的部隊，最先突入了別爾哥羅德。草原方面軍各部隊肅清別爾哥羅德市殘敵後，協同沃羅涅什方面軍部隊迅速向前推進。8月5日傍晚，為了慶祝布良斯克、中央和西方面軍佔領奧廖爾，草原和沃羅涅什方面軍佔領別爾哥羅德，前蘇聯首都莫斯科鳴放了禮炮。這是前蘇聯衛國戰爭中前蘇聯首次為祝賀蘇軍的戰功而鳴放的禮炮。戰士們鬥志更加昂揚。
虎王
8月7日，蘇軍沃羅涅什方面軍坦克第一集團軍和近衛第六集團軍的先遣部隊，佔領了博戈杜霍夫。德軍嚴密的防禦正面已不復存在。德軍第四集團軍已脫離“戰鬥集群”很遠，它已無力堵塞所造成的缺口。由格賴沃龍向西退卻的德軍集群遭蘇空軍第二集團軍大群飛機攻擊繼而被蘇軍第二十七集團軍粉碎後，德第四集團軍的處境更趨惡化。
8月11日，蘇軍坦克第一集團軍部隊跨過了哈爾科夫—波爾塔瓦鐵路。德軍“南方”集團軍為了援救即將覆滅的第四集團軍而倉促蒐集了其最後的全部預備隊並將其投入阿赫特爾卡地域。德軍害怕其哈爾科夫集團陷入合圍，拼湊了由“骷髏”、“維金”和“帝國”坦克師組成的一支部隊，於8月11日對蘇軍坦克第一集團軍和近衛第六集團軍部隊實施反突擊。已被削弱的蘇軍坦克第一集團軍和近衛第六集團軍未能經受住敵人的突擊，開始向較有利地區撤退。這時，正好蘇軍坦克第五集團軍迅速趕來支援。激烈交戰持續數日，經共同努力，到8月16日，蘇軍終於阻止了德軍的前進。
8月18日，德軍由阿赫特爾卡地域實施反突擊。為了殲滅這股敵人，由前蘇聯最高統帥部預備隊中增派庫利克將軍指揮的近衛第四集團軍投入交戰，可惜他因不稱職不久即被解職。草原方面軍各集團軍逼近了哈爾科夫，在城郊展開了交戰。8月22日，蘇軍在哈爾科夫地域的進攻愈益加強。德軍為避免其部隊陷入合圍，開始從哈爾科夫撤退。23日晨，德軍撤走了其最後的後衛部隊。蘇軍草原方面軍部隊進入哈爾科夫市，受到了居民的熱烈歡迎。在哈爾科夫舉行了盛大的群眾大會，群情振奮，載歌載舞。前蘇聯首都莫斯科為解放烏克蘭這一大城市的英勇蘇軍士兵鳴放了禮炮。至此，前蘇聯衛國戰爭中持續50天之久，最大的一次坦克大會戰以蘇軍8月23日佔領哈爾科夫市而告終。
被擊中的費迪南殲擊車
庫爾斯克會戰粉碎了希特勒在軍事和政治上均寄以厚望的德軍主要集團，給德軍造成了無可挽回的損失，偉大的戰略轉折基本完成。蘇軍累計擊潰德軍30個精銳師（其中7個坦克師），這些師傷亡率均在50％以上。德軍總計損失50餘萬人、約1500輛坦克（含大量“虎”式和“豹”式坦克）、3000門火炮和3700餘架飛機。這些慘重的損失，使德軍在蘇德戰場上完全轉入了戰略防禦。儘管德軍一度擊潰4倍於己的蘇軍，蘇軍損失也很慘重，但蘇德戰場的主動權還是完全轉移到了蘇軍手中。對此，前西德歷史學家格利茨評價說：“庫爾斯克大會戰對於德軍是致命危機的開端。”
