在前沿阵地，苏军精心地设计他们的防御，构筑了数道防线，防御纵深超过100英里，整个防御体系由大量互相紧密配合的战壕、铁丝网、反坦克火力点和反坦克沟壕以及雷区组成，在德军最可能的进攻方向上，聚集了大量的兵力和火力。
苏军兵力及部署
在库尔斯克突出部北部，正对着德中央集团军群方向的是罗科索夫斯基的中央方面军，包括第70、第13、第48、第60、第65集团军以及第2坦克集团军，总兵力达71.1万人，1.1万门大炮和迫击炮，1,785辆坦克和自行火炮。由于苏军认为强大的德中央集团军群会担当此次德军的主攻，苏军在这个方向的力量也是最强的，朱可夫元帅也亲自在此坐镇指挥
在库尔斯克突出部南部，面对德南方集团军群的是瓦图京的沃罗涅日方面军，下辖第6、第7近卫集团军、第40、第38、第69集团军、第1坦克集团军以及步兵第35军，总兵力62.5万人，8,718门大炮和迫击炮，1,704辆坦克和自行火炮。
在中央方面军和沃罗涅日方面军的后方是科涅夫的草原方面军，它的任务是当前方两个方面军形势吃紧时，向它们提供增援，而一旦库尔斯克防线被德军突破，它将成为最后一道防线，而当苏军转入反攻时，它将提供新鲜的兵力。该方面军辖近卫第4、第5集团军、第27、第47、第53集团军、近卫第5坦克集团军、近卫第3、第5、第7骑兵军、近卫第4坦克军、近卫第1、第3机械化军。总兵力为57.3万人，8,510门大炮和迫击炮，1,639辆坦克和自行火炮。
战争评价
就本次战役战备而言，库尔斯克战役比以往任何一次大规模反攻战役的准备都好，在莫斯科会战时，苏军只有17个兵力不多的诸兵种合成集团军参加，没有坦克集团军；在斯大林格勒战役时，参战部队增加到14个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军和几个坦克军；而在库尔斯克战役时，共有22个强大的诸兵种合成集团军，5个坦克集团军和6个空军集团军以及大量远程航空兵部队参加。苏军三个方面军对德国第9和第2集团军、第4装甲集团军和肯普夫集群在兵力上占2.4比1的优势，在坦克上占1.9比1的优势，防御纵深达250-300公里，另外还可以得到空军第1、第2、第5、第15、第16、第17集团军共约2900架飞机支援。在兵力构成上，炮兵团首次超过了步兵团，比例为1.5：1，在威胁最大的中央方面军第13集团军的正面，每英里防御正面可以得到148门火炮支援，远远超过了德军为发动进攻而拼凑的数目。此外，索科罗夫斯基的西方方面军、波波夫的布良斯克方面军以及西南方面军的第57集团军和第2坦克军也被部署到了库尔斯克地区，以应付随时可能出现的复杂局面。
在军工方面，到了1943年，搬迁到远东的苏联军火工业终于开始达到并超过战前水平，同时英美等西方的援助也开始大

战役开始
一个个被认为德军可能发动进攻的日子都平安地渡过了，两个月来前线显得十分平静，时间到了7月4日夜，在突出部南部的苏联近卫第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，朱可夫于5日2时20分下达向德军阵地实施了炮火反准备的命令，库尔斯克会战的序幕由此拉开。
德军的进攻
南线：
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。而德南方集团军群的第4装甲集团军根据预定计划发动进攻，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近卫步兵师难以抵挡被迫后退，瓦图京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。
由于德军的进攻比预计的要猛烈的多，瓦图京被迫取消了原定于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.
在6日傍晚，瓦图京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。同时瓦图京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。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，而瓦图京也在计划反攻，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。

普罗霍罗夫卡坦克大战
7月9日是库尔斯克会战关键的一天，瓦图京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。德第4装甲集团军司令霍斯将军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－上演了。
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。
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。


线：
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。
第二天，罗科索夫斯基开始发动反击，莫德尔也把预备队投入战场，于是一次大规模坦克战展开了。经过激战，苏军的两个坦克旅遭到重创，损失了约70辆坦克，德军一路乘胜前进，杀到苏军第二条防线前，但被苏第17近卫步兵军以及赶来增援的苏第17坦克军阻止住了。
7月7日凌晨，德军再一次发动了进攻，企图夺取交通枢纽波内里，战斗是异常激烈，德军数次攻入市区，但都被顽强的苏军赶了出来，而苏联空军经过激战，夺取了库尔斯克北部地区的制空权，从此给德国地面部队以很大威慑。
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。


终止计划
根据1943年1月卡萨布兰卡会议精神，英美联军于1943年7月10日，在意大利西西里岛实施登陆作战。由于意大利的局势的变化，德国在该地区的兵力无法抵御西方盟军的进攻，同时，库尔斯克会战不仅看不到胜利的希望，而且在奥廖尔突出部的德第9集团军有被切断后路，重蹈斯大林格勒德军覆灭的危险。希特勒决意终止“堡垒”计划，抽调东线的兵力去意大利。7月13日他召集克鲁格、曼斯坦因等人到他的 “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，但曼斯坦因则强烈地反对，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。基于对曼斯坦因的信任，希特勒虽然终止了“堡垒”计划，但他同意曼斯坦因继续在南线进攻。
但曼斯坦因对苏军实力的判断是相当错误的，其多次进攻均未能达成目标，而此时库尔斯克北部以及意大利的局势却日益恶化，这促使希特勒最终取消了进攻，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。


别尔哥罗德—哈尔科夫战役
在南线，当德军在7月23日和苏军脱离接触时，斯大林便要求苏军立刻发动反攻，但朱可夫认为经过连续的艰苦战斗后，在发动攻势前，苏军应进行必要的补充和修整，这样苏军把进攻的日期最终确定在8月3日，这次作战的代号以七年战争中俄国名将“鲁缅采夫”的名字命名。担当此次进攻任务的是沃罗涅日方面军和草原方面军，总兵力为90万人和2,800多辆坦克和自行火炮。而此时曼斯坦因还认为苏军已经濒临崩溃，取消“堡垒”作战是错误的决定。这使得德军对苏军的进攻完全没有准备。
8月3日凌晨5点，苏军近万门大炮齐鸣，大量炮弹倾卸到德军阵地上，炮击持续了两多小时，最后以一阵喀秋莎火箭炮的齐射作为结束，随后坦克和步兵开始发起攻击。在炮击中幸存的德兵无力阻挡苏军的前进，苏军很快就突破了德军第一道防线，经过一天的战斗苏军各突击集团平均向德军纵深推进了10～15公里。 在随后几天的战斗中，德军的防守异常地顽强，苏军的坦克虽然继续向前突破，但步兵却被德军缠住，进展缓慢。至8月5日苏第1坦克集团军攻占鲍里索夫卡切断了托马罗夫卡德第255、第332步兵师和第19装甲师的退路，等待他们的命运将是被歼灭。但被围德军仍拼死抵抗，正是由于他们的顽强抵抗为曼斯坦因将德军主力从别尔格罗德撤往哈尔科夫赢得了时间。5日苏军收复别尔格罗德，7日占领德军后方的后勤供应基地博戈杜霍夫，缴获大量德军物资和燃料。
在6、7两日，由于苏军坦克队前进很快，而步兵忙于清除被包围的德军，苏军的坦克部队和步兵已开始脱节了。曼斯坦因希望抓住苏军这个弱点，他开始有计划的撤退以赢得时间来集结兵力，等苏军进攻能量逐渐消耗后，实施反击。此时瓦图京对形势十分乐观，他认为德军已到了崩溃的边缘，他命令前线坦克部队继续进攻，切断哈尔科夫至波尔塔瓦的铁路线，阻止德军逃脱。
8月11日德军已经集结完毕，并补充了充足的弹药和燃料，曼斯坦因开始反攻，而此时苏军的坦克部队仍处于追击状态，各部队之间分散很广，而步兵和炮兵仍在后方，且经过多日激战，弹药和燃料都已严重不足，更重要的是苏军对德军的进攻未有察觉。苏军正在重犯5个月前在哈尔科夫战役的错误。11日晚苏第1坦克集团军的第49坦克旅和第17坦克团被德军围歼，由于苏第5近卫坦克集团军的及时赶到，避免了第1坦克集团军的全军覆灭。12日在德军的进攻下，苏军被迫后退，随后苏第六近卫集团军的第六坦克军在14日被德军包围遭到惨败。
战斗到8月17日，双方都遭受了巨大损失，德军的反击虽然给苏军以重创，但曼斯坦因却没有力量进一步扩大战果，而苏军数量上的优势再次起到了决定性的作用，他们很快又恢复了进攻。其后德军的反攻再也没能给苏军造成威胁。19日苏军攻抵哈尔科夫西面的乌德河北岸，并于20日强渡乌德河，在南岸建立了桥头堡。攻打哈尔科夫的战斗异常激烈，强大的苏第5近卫坦克集团军最后只剩下了50辆坦克。22日晚苏第53集团军率先攻入城内，德军开始全面撤出哈尔科夫，退向第聂伯河的防线，沿途他们破坏了所有公路、铁路和桥梁，污染了水源、焚烧一切农作物，毁坏了建筑物。苏军于23日收复哈尔科夫。
别尔哥罗德—哈尔科夫战役中，苏军歼敌约20万人，自身损失也达255,566人，坦克1,864辆, 火炮423门，飞机153架

会战结果及影响
库尔斯克会战中，德军30个精锐师包括7个装甲、坦克师被击溃，其余的遭受重创。损失兵力50多万人，损失坦克约1,500辆，损失火炮和迫击炮3,000门，损失飞机3,700架，苏联也损失惨重，部队伤亡也绝对不比德军少，但是会战的失利使纳粹德国永久性地丧失了苏德战场主动权，此后德军再也没有在欧洲战场的东线发起有威胁的攻势。
苏军也为库尔斯克会战付出了惨重代价，损失兵力80多万，损失坦克6,064辆，损失火炮5,244门，损失飞机1,716架。但会战的胜利使苏军从此获得了战场的主动权。这次会战后苏军又向德军发动了连续攻势，收复大量失地，在11月解放了基辅，同时苏军的各级指挥员也在战火中迅速成长起来，指挥艺术也越来越成熟，最终使苏军不仅在数量上超过德军，在质量上也超越了德军.