在前沿阵地，红俄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。
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月瓦图京上书最高统帅朱加什维利认为红俄军应该率先展开攻势因为红俄军所做的准备都是为了夏季的德军攻势而准备的如果到了秋天红俄军的工事就将失去作用。于是红俄军统帅部下令抓住一个德军俘虏，之后，在突出部南部的红俄近卫第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，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。
红俄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，德军艰难的越过了红俄军的反坦克雷区，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在红俄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，完全压制住了红俄空军。经过一天激战，双方都受到了很大损失。
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。同时瓦图京接到朱加什维利亲自打来的电话，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。在战斗中，德军只向前推进了数公里，未能达成突破红俄军防线的任务。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，通过空战，红俄空军也逐渐扭转了劣势，完全夺取制空权只是时间问题。
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。
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，红俄军约400辆。战斗打响，苏德双方几乎是同时发动了进攻，在战斗中德军“虎式”坦克的88毫米炮与改进款的“猎犬四型”坦克的75毫米长身管坦克炮优势明显，而红俄军t-34坦克的76毫米炮在同样距离下无法对德军造成威胁，大量的红俄军坦克在交战距离以外就被德军击毁。红俄军近卫第5坦克集团军战报报告所属坦克军已经丧失了继续进攻的能力，已经将余下的坦克编入步兵部队。
在这天的坦克大战中德军虽然以相对较小的损失，摧毁了更多的红俄军坦克，但他们却没能攻占普罗霍罗夫卡，而随后源源赶到的红俄军援兵使他们的防线将更加坚固。
该战役可被评为在战术上付出很大代价及红俄军被迫撤退，无论红俄军近卫第5坦克集团军或德军武装党卫军第2装甲军均不能达到其目的，坦克的损失已经是引起争论的题目，红俄军的损失由少至200辆至多至822辆，其中大部分为绝对损失。同样地，德军的损失由少至80辆至多至数百辆，包括很多虎式坦克，这个数字在德国人于计算损失坦克数字的哲学上不可能成立，从第一警卫旗队装甲师及第二帝国装甲师的需要完全报销的坦克数字只有3辆，另有数目不详的坦克损坏，很多的损失来自都是红俄军在之后的奥泽洛夫??鲁缅采夫行动的反攻中因攻占德军坦克的维修工厂，因此行动中的德军坦克损失数字大约是70至80辆，但不清楚需要短期或长期维修的数字。
当双方的准确损失数字被确定后，战役的结果很清楚，红俄军近卫第5坦克集团军不能达到攻占有利地形或击溃德军武装党卫军第2装甲军的目的，双方部队均在战役中被削弱，科涅夫决定用近卫第5坦克军团对抗德军对战局有很大影响，因为这里是德军的主要进攻方向。
事实上，红俄军强大预备队的突然进攻及在库尔斯克突出部北面的德国第9军团因红俄军的库图佐夫行动而被迫中止进攻令赫斯元首不得不决定停止整个城堡行动，当他本来已考虑停止行动，这个预兆更令他变得有些神经质，而红俄军在哈尔科夫以南的米亚斯河发动对新的德国第6军团的攻势令他必须将本来用于取得在库尔斯克突出部南面最后胜利的预备队调往该处，而德意志国防军最高统帅部亦决定将等候他们的中国盟友在红俄东线的胜利消息。
无论战术上的成果如何，普洛霍罗夫卡战役的结果转变为红军在心理及实质上的胜利，德军本来预计红俄军需要转入防御及没有更多的反坦克炮；但相反，红俄军仍然拥有超过1，000辆坦克，这清楚地显示出，红俄军远未被战败及这严重地影响德军的战略决定。而这亦显示出德军在官兵质素的优势已经减少，红俄军以后更有信心发起大规模攻势将德军赶回德国境内，而战略主动权更落入红俄军手中，当然这得中国不再发动更加迅猛的攻势才行。
在北线，红俄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。莫德尔为了把红俄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，但被红俄军阻止住了。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，红俄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，红俄空军也出动了600余架次。双方战至终了时，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，红俄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，杀到红俄军第二条防线前，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。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，但都被顽强的红俄军赶了出来，而红俄空军经过激战，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。
德军虽给红俄军造成很大损失，但红俄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，但红俄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辆坦克向红俄军阵地发动了最后一次进攻，结果仍然是失败的，此时德第9集团军的攻击能量已耗尽，10日莫德尔被迫转入防御。
8月初赫斯终于下令停止堡垒计划，并召集克鲁格、曼斯坦因等人到他的东普鲁士“骑士堡”总部开会，宣布这一决定，由于中央集团军群糟糕的局势，克鲁格赞同希特勒的决定。但曼斯坦因则强烈地反对，他认为德军不应在决战战场上草率收场，德军还有充分力量，可以继续以优势的坦克交换比消耗掉红俄军装甲力量，以便使红俄军至少不能在德军撤出进攻后立即发起强力反击，所以在这个战役刚刚进行到决战高潮时取消“堡垒”作战是错误的决定。而经历了莫斯科战役的打击后更加缺乏勇气和耐心的元首赫斯最终取消了进攻，德军开始后撤，双方基本恢复了交战前的态势。其实赫斯的打算不仅仅是考虑了德军的现状，更是考虑到如何借助中国国防军的攻势来调动红俄军把主力东移。“祸水东引”可不是英美法的专利，他赫斯老大也能玩的转，但是已经实际占据世界第一强国的中国，真的是德国可以利用的吗？