7月5日凌晨2时20分，苏军沃罗涅什方面军抢先实施了炮火和航空兵的反准备。霎时，隆隆的炮声，飞机的轰鸣声，各种炸弹的爆炸声打破了深夜的宁静。战争史上著名的库尔斯克大会战开始了。
本来，苏军是防御性作战战略，但这提前的反准备炮火却使德军前沿阵地的官兵以为是苏军要向他们进攻了。苏军的炮火先行摧毁了德军部分炮兵阵地，打乱了德军前沿阵地的通讯指挥系统。不过苏军的反准备炮火略微早了些，倘若再晚30～40分钟，那么效果可能更好。因为德军装甲部队和步兵大多未开始进攻前的集结。
7月5日清晨6时左右，德军终于开始发起进攻。德军统帅部审慎地，但却十分呆板地执行着他们事先制定的“堡垒”计划，把兵力集中在战场的狭窄地段上。他们的打算极其简单，那就是从库尔斯克突出部两个相反的方向上同时突破苏军防御，并从北面和南面向库尔斯克总方向实施相向的或当时所谓的向心突击，切断苏军配置在该处的部队，尔后加以消灭。
在北面奥廖尔方向上，莫德尔投入了第九集团军的3个装甲师及4个步兵师，共约500百辆坦克及自行强击炮，从40公里宽的正面向苏中央方面军第十三集团军的左翼进攻。德军坦克梯队大都排成一个楔形，冲在前端的是10～15辆装甲最厚的“虎”式坦克和“斐迪南”式自行强击炮。“斐迪南”式自行强击炮是当时德军装甲最厚的突击炮，88毫米炮可以在1800米的距离击毁“T－34”坦克。虽然它靠着厚重的装甲突破了苏军阵地，但由于在设计上没有配备机关枪，不能摧毁苏军火力点，因而使步兵无法跟进，结果在失去步兵掩护的情况下，很快就被苏军击毁。第九集团军整个白天的5次突击进攻都被击退。只是到了傍晚，莫德尔再次投入兵力，才勉强入苏第十三集团军的阵地。即使这样，最大纵深也只有6公里，更多的是2～3公里。
同日，南方集团军群从南面的别尔哥罗德发起进攻，曼施泰因在不足50公里的正面展开了3个装甲军，由左至右分别是第四十八装甲军、第2SS党卫装甲军（属霍特的第四装甲集团军）及第三装甲军（属肯夫兵团），进攻兵力共8个装甲师、1个机械化师及5个步兵师，坦克共约700百辆。当天，霍特的楔形坦克队在空军及炮兵的强力支援下，顺利地突破苏军近卫第六集团军的阵地。傍晚的一场雨使得攻势暂时停了下来，肯夫的部队也在近卫第七集团军的阵地前受挫。
7月6日清晨，德军再次发起进攻，所有各部队的正面全都是激烈的血战。莫德尔的第九集团军在伤亡惨重及弹药大量消耗下不得不放弃了前进。两天以来，第九集团军仅仅前进了6～9公里而已，然而却付出了死伤2.5万人、200辆坦克和自行火炮以及200架飞机的代价。在南面，南方集团军群的3个装甲军在损失了近200辆坦克后，继续向奥博扬方向缓慢逼进。
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，第四十八装甲军顺利地突破了几个据点，击退了苏军第三机械化集团军。
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三反坦克旅。苏军炮兵直到650～750米的距离才开火，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。第三反坦克旅也几乎全军覆没。在南面，苏第三机械化集团军以40辆“T－34”坦克对德军第四十八装甲军展开反击，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2/3的坦克。罗科索夫斯基的中央方面军渐渐对德第九集团军展开反击，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，与第四十八装甲军联手击退了苏军第一坦克集团军及近卫第二、第五坦克军，迫使苏军后退并重整防线。同时肯夫兵团也打通一条进路，巩固了第四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九集团军大约突破了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，瓦图京的沃罗涅什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2.8万人。
7月12日，防守北面奥廖尔突出部的德中央集团军群的第二装甲集团军遭到苏军西方方面军、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九集团军的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。其左侧是第四十八装甲军，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五坦克集团军，该集团军拥有850辆坦克，大部份是“T－34”坦克。另外还有近卫第五集团军。这两个部队自7月初即被保留作为预备队，兵员及装备都经过充分的补充。
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米的距离开火，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，草原上到处都是坦克的残骸。浓密的硝烟弥漫了战场，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地作战，有时双方的坦克手甚至用匕首肉搏。除第2SS党卫装甲军外，第四十八装甲军也遭遇了苏第一坦克集团军和近卫第六集团军。
肯夫兵团到了下午也投入了普罗霍罗夫卡的战斗。德军第四航空队和苏军第二、第十七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。
这场在普罗霍罗夫卡展开的空前规模的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五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。到7月12日为止，南方集团军群击溃了苏军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2.4万人，缴获、击毁苏军坦克1800辆、野战炮267门、战防炮1080门。
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、1.6万门火炮以及5000辆坦克、5000架飞机。