Была создана сильная, глубоко эшелонированная оборона на глубину 250–300 км, состоящая из восьми оборонительных полос и рубежей.
Советскому командованию стал известен не только день, но и час начала наступления немецких войск. 5 июля, перед рассветом, на районы сосредоточения ударных группировок противника в полосах обоих фронтов советская артиллерия провела мощную артиллерийскую контрподготовку, впервые осуществленную во фронтовом масштабе по заранее разработанному плану. Немецкие соединения понесли потери, хотя огонь, ведущийся по площадям, а не по конкретным целям в известной мере снизил ее эффективность. Фактор внезапности противником был утерян.
В 5 часов 30 минут и в 6 часов утра немецкие соединения из группы армий «Центр» и «Юг» перешли в наступление. На орловском направлении противник ценой больших потерь прорвал главную оборонительную полосу на Ольховатском направлении и вклинился на 6–8 км. Вспомогательный удар немцев на Малоархангельск не имело успеха. Отбивая контратаки советских войск, противник медленно продвигался вперед, но к исходу 9 июля был остановлен, его наступательный порыв полностью истощился, и он перешел к обороне. За 7 дней немецкие войска вклинились в оборону частей фронта на 10–12 км. Окружить советские соединения на четвертый день сражения, как это намечалось планом операции «Цитадель», немецкому командованию не удалось.
Командование Центрального фронта доложило в Ставку ВГК, что «войска Центрального фронта измотали в непрерывных ожесточенных восьмидневных боях врага и остановили его натиск. Первый эта сражения закончился». (Цит. по Истории второй мировой войны 1939–1945. Т.7. М., 1976. С. 149.)
На белгородско-курском направлении Э. Манштейн уже в первый день ввел в сражение большую часть имеющихся у него сил. В них участвовало до 700 танков противника. В первый день боев немецкие соединения вклинились в оборону советских войск на двух участках на глубину 8-10 км, а за два дня им удалось прорвать главную полосу обороны. 7–8 июля ожесточенные бои снова вспыхнули на обоянсксом и корочанском направлениях. Противник на узком участке 7 июля прорвал вторую полосу обороны и вклинился на обоянском направлении на 10–18 км. 8 июля немецкие соединения подверглись контрударам силами резерва Воронежского фронта. 9 июля противник добился некоторого продвижения, но в дальнейшем вынужден был отказаться здесь от продолжения атак. Одновременно несколько продвинулись войска оперативной группы «Кемпф» от Белгорода в направлении Корочи.
9 июля немецкое командование приняло решение перебросить в район Курска еще несколько дивизий и добиться перелома в ходе битвы. Манштейн решил направить удар 4-й танковой армии в район д. Прохоровки, чтобы здесь совершить прорыв к Курску. На этом правлении были сосредоточены основные силы группировки противника. В этот напряженный момент сражения Ставка ВГК приказала командующему Степного фронта выдвинуть на курско-белгородское направление 4-ю гвардейскую, 27-ю и 53-ю армии. 5-я гвардейская танковая и 5-я гвардейская армии, которыми командовали генералы П. А. Ротмистров и А. С. Жадов, были переданы Воронежскому фронту.
10 июля союзные войска высадились в Сицилии, что, несомненно, ухудшило стратегические позиции Германии. Однако высадка союзников не оказала заметного влияния на ход сражения под Курском. 10 июля, когда в ставке вермахта стало известно об этом, последовал приказ Гитлера: операция «Цитадель» будет продолжаться. По свидетельству бывшего начальника генерального штаба сухопутных войск Германии К. Цейтцлера, Гитлер требовал продолжать наступление на Курск даже после 12 июля, когда уже многим генералам вермахта было очевидно, что летнее наступление немецких войск потерпело крах.
На курском направлении продолжались ожесточенные сражения. 10 и 11 июля соединения 4-й танковой армии и оперативной группы «Кемпф» предприняли наступление в направлении Прохоровки. 12 июля в районе Прохоровки развернулось крупнейшее встречное танковое сражение, в котором с обеих сторон участвовало около 1200 танков и самоходных орудий. Две мощные лавины танков устремились навстречу друг другу. Над полем боя шли ожесточенные воздушные бои. «Более 1 200 танков и самоходных орудий, — пишет американский историк М. Кэйндин, — смешались в гигантском водовороте, окутанном пеленой дыма и пыли, озаренном вспышками танковых орудий… Атака „тридцать четверок“ была проведена столь стремительно, что тщательно разработанные немецкие планы сражения оказались сорванными и немцы так и не получили возможность наладить управление своими частями и подразделениями и дать бой по всем правилам». (От Мюнхена до Токийского залива. Взгляд с Запада. М., 1992. С. 339.) К исходу дня сражение под Прохоровкой закончилось поражением главной группировки противника, который потерял 400 танков, 300 автомашин, свыше 3500 солдат и офицеров. (Самсонов А. М. Вторая мировая война. М., 1985. С. 301.) По образному выражению М. Кэйдина, на узкой полоске земли между рекой Псел и железнодорожной насыпью юго-западнее Прохоровки погребальный звон колоколов оповестил о гибели немецких танковых сил. 12 июля стало днем крушения немецкого наступления на Курск с юга. Попытки немецких войск продолжать наступление носили локальный характер, их наступательный порыв иссяк, 19 июля командование вермахта пришло к выводу, что операция «Цитадель» потерпела крах. В журнале военных действий верховного командования вермахта в этот день сделана запись: «Из-за сильного наступления противника дальнейшее продолжение „Цитадели“ не представляется возможным». (Орлов А., Новоселов Б. Факты против мифов. М., 1986. С. 79–80.)