戰爭序幕
一個個被認爲德軍可能發動進攻的日子都平安地渡過了，兩個月來前線顯得十分平靜，時間到了7月瓦圖京上書斯大林認爲蘇聯紅軍應該率先展開攻勢因爲蘇聯紅軍所做的準備都是爲了夏季的德軍攻勢而準備的如果到了秋天蘇聯紅軍的工事就將失去作用。於是蘇聯紅軍統帥部下令抓住一個德軍俘虜，之後，在突出部南部的蘇聯近衛第6集團軍捕獲了德軍第168步兵師的一個士兵，他供認德軍即將在第二天開始進攻，凌晨，在突出部北部的蘇第13集團軍俘虜了一個德軍德國第6步兵師的中士，他也供認德軍將在幾小時之後發動進攻。爲了打亂德軍進攻步驟，朱可夫於5日2時20分下達向德軍陣地實施了炮火反準備的命令，庫爾斯克會戰的序幕由此拉開。
德軍進攻
南線：蘇聯紅軍的炮擊完全出乎德軍的意料，造成很大損失，雖然比原計劃推遲了3個小時。而德南方集團軍羣的第4裝甲集團軍根據預定計劃發動進攻，在損失36輛坦克後，德軍艱難的越過了蘇聯紅軍的反坦克雷區，猛攻蘇第67近衛步兵師的防線，面對德軍3個師的進攻，蘇第67近衛步兵師難以抵擋被迫後退，瓦圖京於是把方面軍預備隊調了過來，以期能把德軍擋在第二道防線外。但不幸的是德軍還是在蘇聯紅軍第二道防線上打開了一道缺口，並強渡了佩納河。
由於德軍的進攻比預計的要猛烈的多，瓦圖京被迫取消了原定反攻，而將計劃用於反攻的第1坦克集團軍的部分坦克佈置在防線後方以支援步兵進行防守，部分坦克佈置在側翼打擊德軍。這一天，德國空軍出擊了超過1000架次，完全壓制住了蘇聯空軍。經過一天激戰，雙方都受到了很大損失。
傍晚，瓦圖京向華西列夫斯基請求增援，後者在得到最高統帥部的同意後，立即把草原方面軍第5近衛集團軍的第2和第10坦克軍353輛坦克調往沃羅涅日方面軍。同時瓦圖京接到斯大林親自打來的電話，要求他不惜一切代價，阻止德軍在庫爾斯克突出部南部的突破。在戰鬥中，德軍只向前推進了數公里，未能達成突破蘇聯紅軍防線的任務。第二天，德軍仍然頑強地繼續他們的攻勢，而瓦圖京也在計劃反攻，爲此他向最高統帥部請求把草原方面軍的第5近衛坦克集團軍和第5近衛集團軍調給他指揮，他的請求很快就被批准了，但這些部隊需要幾天的時間才能到達。在制空權的爭奪上，通過空戰，蘇聯空軍也逐漸扭轉了劣勢，完全奪取制空權只是時間問題。
普羅霍羅夫卡坦克大戰 ，瓦圖京指揮部隊繼續在正面抵擋德軍向奧博揚推進，同時在兩翼連續發動反擊，雖然這些反擊一次又一次的遭到失敗，但卻使德軍無法全力以赴的攻擊他們的主要目標。德第4裝甲集團軍司令霍斯將軍見無法從正面突破奧博揚，便決定先從右翼突破，他命令第2黨衛裝甲軍轉向東北的普羅霍羅夫卡。接下來的兩天，德軍的進攻還比較順利，他們攻到了普羅霍羅夫卡城下，庫爾斯克會戰的高潮-上演了。
戰後很長時間，史學家們一直認爲在1943年7月12日蘇德雙方共有1500餘輛坦克和自行火炮在普羅霍羅夫卡激戰，普羅霍羅夫卡坦克大戰也因此被認爲是人類戰爭史上最大規模的坦克戰，並聞名於世，成爲一個傳奇。隨着時間的推移，大量資料的解密，尤其是冷戰的結束，前蘇聯資料的公開，使得研究者們發現這次坦克大戰的規模要比原先認爲的小得多，雙方直接參戰的坦克和自行火炮也只有約600輛。其中德軍不到200輛，蘇聯紅軍約400輛。戰鬥打響，蘇德雙方几乎是同時發動了進攻，在戰鬥中德軍“虎式”坦克的88毫米炮與四號坦克的75毫米坦克炮優勢明顯，而蘇聯紅軍T-34坦克的76毫米炮在同樣距離下無法對德軍造成威脅，大量的蘇聯紅軍坦克在交戰距離以外就被德軍擊毀。蘇聯紅軍近衛第5坦克集團軍戰報報告所屬坦克軍已經喪失了繼續進攻的能力，已經將餘下的坦克編入步兵部隊。
在這天的坦克大戰中德軍雖然以相對較小的損失，摧毀了更多的蘇聯紅軍坦克，但他們卻沒能攻佔普羅霍羅夫卡，而隨後源源趕到的蘇聯紅軍援兵使他們的防線將更加堅固。
該戰役可被評爲在戰術上付出很大代價及蘇聯紅軍被迫撤退，無論蘇聯紅軍近衛第5坦克集團軍或德軍武裝黨衛軍第2裝甲軍均不能達到其目的，坦克的損失已經是引起爭論的題目，蘇聯紅軍的損失由少至200輛至多至822輛，其中大部分爲絕對損失。同樣地，德軍的損失由少至80輛至多至數百輛，包括很多虎式坦克，這個數字在德國人於計算損失坦克數字的哲學上不可能成立，從第一阿道夫·希特勒警衛旗隊裝甲師及第二帝國裝甲師的需要完全報銷的坦克數字只有3輛，另有數目不詳的坦克損壞，很多的損失來自都是蘇聯紅軍在之後的奧澤洛夫·魯緬採夫行動的反攻中因攻佔德軍坦克的維修工廠，因此行動中的德軍坦克損失數字大約是70至80輛，但不清楚需要短期或長期維修的數字。
當雙方的準確損失數字被確定後，戰役的結果很清楚，蘇聯紅軍近衛第5坦克集團軍不能達到攻佔有利地形或擊潰德軍武裝黨衛軍第2裝甲軍的目的，雙方部隊均在戰役中被削弱，科涅夫決定用近衛第5坦克軍團對抗德軍對戰局有很大影響，因爲這裏是德軍的主要進攻方向。
事實上，蘇聯紅軍強大預備隊的突然進攻及在庫爾斯克突出部北面的德國第9軍團因蘇聯紅軍的庫圖佐夫行動而被迫中止進攻令阿道夫·希特勒決定停止整個城堡行動，當他本來已考慮停止行動，這個預兆更令他胃病發作，而蘇聯紅軍在哈爾科夫以南的米亞斯河發動對新的德國第6軍團的攻勢令他必須將本來用於取得在庫爾斯克突出部南面最後勝利的預備隊調往該處，而德意志國防軍最高統帥部亦決定將一部份部隊調往地中海戰區以應付盟軍於1943年7月10日在西西里島的登陸。
無論戰術上的成果如何，普洛霍羅夫卡戰役的結果轉變爲紅軍在心理及實質上的勝利，德軍本來預計蘇聯紅軍需要轉入防禦及沒有更多的反坦克炮;但相反，蘇聯紅軍仍然擁有超過1，000輛坦克，這清楚地顯示出，蘇聯紅軍遠未被戰敗及這嚴重地影響德軍的戰略決定。
而這亦顯示出德軍在官兵質素的優勢已經減少，蘇聯紅軍以後更有信心發起大規模攻勢將德軍趕回德國境內，而戰略主動權更落入蘇聯紅軍手中。
北線：在北線，蘇聯紅軍的炮擊也使德軍的進攻比計劃推遲了2個半小時，在幾十分鐘的炮火準備和空中轟炸之後，德第9集團按計劃開始了進攻。
莫德爾爲了把蘇聯紅軍的注意力從德軍的主攻方向上引開，先在左翼以3個步兵師實施佯攻，但被蘇聯紅軍阻止住了。在主攻方向，德軍集中了4個裝甲師和3個步兵師的兵力，經過激烈的戰鬥，他們突破了蘇第13集團軍的第一道防線，艱難地向前推進了5公里。但在兩翼，蘇聯紅軍頑強地守住了陣地。在地面激戰的同時，雙方的空軍也在進行激戰，這一天德軍出動了1000架多次，蘇聯空軍也出動了600餘架次。雙方戰至終了時，德軍只向前突破不足10公里，卻至少損失了70輛坦克。
第二天，羅科索夫斯基開始發動反擊，莫德爾也把預備隊投入戰場，於是一次大規模坦克戰展開了。經過激戰，蘇聯紅軍的兩個坦克旅遭到重創，損失了約70輛坦克，德軍一路乘勝前進，殺到蘇聯紅軍第二條防線前，但被蘇第17近衛步兵軍以及趕來增援的蘇第17坦克軍阻止住了。
凌晨，德軍再一次發動了進攻，企圖奪取交通樞紐波內裏，戰鬥是異常激烈，德軍數次攻入市區，但都被頑強的蘇聯紅軍趕了出來，而蘇聯空軍經過激戰，奪取了庫爾斯克北部地區的制空權，從此給德國地面部隊以很大威懾。
德軍雖給蘇聯紅軍造成很大損失，但蘇聯紅軍依靠數量上的優勢，堅守住了陣地，在波內裏城內，德軍付出慘重的代價後，佔領了大半個波內裏，但蘇聯紅軍仍控制着市內一些重要據點，使用德軍無法繼續推進。1943年7月9日莫德爾以300輛坦克向蘇聯紅軍陣地發動了最後一次進攻，結果仍然是失敗的，此時德第9集團軍的攻擊能量已耗盡，10日莫德爾被迫轉入防禦。
西西里登陸
根據1943年1月卡薩布蘭卡會議精神，英美聯軍於1943年7月10日，在意大利西西里島實施登陸作戰。由於意大利的局勢的變化，德國在該地區的兵力無法抵禦西方盟軍的進攻，同時，庫爾斯克會戰不僅看不到勝利的希望，而且在奧廖爾突出部的德第9集團軍有被切斷後路，重蹈斯大林格勒德軍覆滅的危險。希特勒決意終止“堡壘”計劃，決定抽調在西線重整的在庫爾斯克會戰之前被重創的幾個師以及斯大林格勒戰役中被全殲但是重新組建的師組建成B集團軍羣去意大利。他召集克魯格、曼斯坦因等人到他的 “狼穴”總部開會，宣佈這一決定，由於中央集團軍羣糟糕的局勢，克魯格贊同希特勒的決定。
但曼斯坦因則強烈地反對，他認爲德軍不應在決戰戰場上草率收場，德軍還有充分力量，可以繼續以優勢的坦克交換比消耗掉蘇聯紅軍裝甲力量，以便使蘇聯紅軍至少不能在德軍撤出進攻後立即發起強力反擊，所以在這個戰役剛剛進行到決戰高潮時取消“堡壘”作戰是錯誤的決定。
而經歷了斯大林格勒戰役的打擊後更加缺乏勇氣和耐心的希特勒最終取消了進攻，德軍開始後撤，雙方基本恢復了交戰前的態勢。
