7月7日，莫德尔投入了预备队，但他发起的5次攻势都没能获得多大的进展。南面霍特的攻势则比较顺利，第48装甲军顺利的突破了几个据点，击退了苏军第3机械化集团军。
在前3天的战斗中，中央集团军群击毁了379辆苏军坦克，南方集团军群则击毁了483辆。这总共862辆的坦克，德国空军即包办了291辆，而德国空军本身只损失了54架飞机而已。
7月8日，莫德尔集结了300辆坦克再度发动了猛烈的攻势。首当其冲的是苏军第3反坦克旅。苏军炮兵直到650—750码的距离才开火，并且大都能坚守炮位。其中一个营在摧毁17辆坦克后，全营只剩3人存活。第3反坦克旅也几乎全军覆没。在南面，苏第3机械化集团军以40辆T-34对德军第48装甲军展开反击，结果以大败收场。
战至7月10日，莫德尔已经用完了所有的预备队，并且损失了全军将近三分之二的坦克。罗科索夫斯基的中央方面军渐渐对德第9集团军展开反击，莫德尔只得转攻为守。在南面，霍特前进到了战略要地奥博扬附近，严重威胁到库尔斯克的南面。其间主力“大德意志”师的豹式坦克频频产生机械故障，但是该师仍然能够发挥相当的战力。位于攻击正面中央的第2SS党卫装甲军，与第48装甲军联手击退了苏军第1坦克集团军及近卫第2、第5坦克军，迫使苏军后退并重整防线。同时肯夫兵团也打通一条进路，巩固了第4装甲集团军的右侧翼。
到7月11日为止，北面中央集团军群的第9集团军大约突破了20公里，不过似乎已经无法再前进了。南面南方集团军则前进了30多公里，3个装甲军都突进到了奥博扬以及交通要地普罗霍罗夫卡的前方。但苏军在炮兵及空军的强力支援下，瓦图京的沃罗涅日方面军挡住了南面德军进一步占领奥博扬的企图，同时也向朱可夫请求增援。朱可夫于是下令可涅夫的草原方面军向普罗霍罗夫卡增援。德军在11日的攻势里击毁了220辆苏军坦克和70架战机。自“堡垒作战”发动以来，苏军已经损失了1640辆坦克、1400门火炮以及被俘虏了28000人。
7月12日，防守北面奥略尔突出部的德中央集团军群的第2装甲集团军遭到苏西方方面军、布良斯克方面军及中央方面军的攻击，中央集团军群总部不得不把莫德尔的第9集团军的4个师抽回防守，德军北面攻势因此停顿下来。
在南面，南方集团军群的装甲军继续向奥博扬和普罗霍罗夫卡实施猛烈突击，担任主攻的是豪瑟指挥的第2SS党卫装甲军，辖有近700辆坦克，其中约100辆是虎式坦克。其左侧是第48装甲军，右侧还有肯夫兵团的300辆坦克支援。当日上午9点，在普罗霍罗夫卡城的南郊，第2SS党卫装甲军遭遇到草原方面军派来增援的部队，主要是罗托米斯托夫指挥的近卫第5坦克集团军，该集团军拥有850辆坦克，大部份是T-34。另外还有近卫第5集团军。这两个部队自7月初即被保留做为预备队，兵员及装备都经过充份的补充。
两军装甲主力相遇后，很快就绞杀在一起。德军的坦克炮虽然能在1500—1800公尺的距离开火，但在这种情况下，虎式坦克强力的火炮及厚重的装甲都讨不到什么便宜，反而是巨大的炮塔不易旋转成了致命伤。不多久，草原上上到处都是坦克的残骸。浓密的烟硝弥漫了战场，坦克行进和射击扬起的沙尘更阻碍了两军的视野，两军的士兵也混杂在其中互相厮杀。炮声、枪声、爆炸声、喊杀声和哀号声响成一片。坦克手侥幸的从燃烧的坦克里爬出后，往往被迫拿起步枪像步兵一样的作战，有时双方的坦克手甚至用匕首肉博。除第2SS党卫装甲军外，第48装甲军也遭遇了苏第1坦克集团军和近卫第6集团军。肯夫兵团到了下午也投入了普罗霍罗夫卡的战斗。德军第4航空队和苏军第2、第17航空军的飞机都尽全力支援地面战斗，空中和地面爆炸声不绝于耳。
这场普罗霍罗夫卡空前规模坦克大战一直持续到傍晚才结束。在历经8个小时血战后，德第2SS党卫装甲军和苏近卫第5坦克坦克集团军都损失了超过350辆坦克，德军步兵伤亡多达1万人，苏军步兵损失不详。到7月12日为止，南方集团群击溃了苏军10个坦克军或机械化军的预备队，向前突破了30—40公里。俘获苏军24000人，缴获、击毁苏军坦克1800辆、野战炮267门，战防炮1080门。
苏军的反击
蓄势以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52500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，共投入了154万人、16000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施泰因开会，他首先宣布英美联军已于7月10日在西西里岛登陆，意大利的情势恶化。希特勒认为德军必须要抽调兵力到意大利和巴尔干半岛，因此“堡垒”作战可能被迫停止。中央集团军群司令克鲁格也支持停止该作战，因为苏军已经开始攻进奥略尔突出部，突出部有将近60万德军，包括49万战斗部队。如果不及早将德军撤出该地区，极可能会重演斯大林格勒的悲剧。曼施泰因则认为德军已经到了胜利的边缘，就这样放弃苦战的成果未免太可惜了，他表示至少要把苏军的预备队全部击溃才罢手。最后希特勒还是根据地中海和中央集团军群的情况，决定停止“堡垒”作战。作为妥协，他同意让曼施泰因的南方中央集团军群继续攻击库尔斯克的苏军，直到击溃苏军装甲预备队为止。
在北面奥略尔方向，苏军于7月12日就开始转入反攻，投入兵力达到128万人、2万门火炮以及2400辆坦克、2000架飞机。苏军以近卫第11坦克集团军为主，向德第2装甲军团的阵地突破。苏军火炮的密度达到每公里150—200门，坦克密度也达到每公里15—20辆。然而即使是这么强力的反攻，苏军仍然无法重演斯大林格勒的大包围。莫德尔利用数道预备好的防线，巧妙地迟滞苏军的攻势，慢慢地将德军撤出奥略尔。直到8月5日苏军才终于收复奥略尔，大部份的德军已经安然撤退到下一道防线。而在南部战线，希特勒于7月17日撤出了第2SS党卫装甲军前往意大利。于是曼施泰因只好停止攻势，向后撤退。8月3日，苏沃罗涅日方面军和草原方面军在西南方面军的配合下，向南方集团军群发起大规模反攻，于8月23日收复了卡尔可夫。至此，库尔斯克大会战结束。
这次大会战，德军损失近50万人，坦克1500多辆，作战飞机3500多架，火炮3000余门。这些惨重损失，使德军在苏德战场上完全转入了战略防御。尽管德军一度击溃4倍于己的苏军，苏军损失也很惨重，但苏德战场的主动权还是完全转移到苏军手中。对此，前西德历史学家格利茨评价说：“库尔斯克大会战对于德军是致命危机的开端。”
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