战役开始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4日夜，在突出部南部的苏近卫第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，7月5日凌晨，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，苏军于5日凌晨率先向德军阵地实施了炮击，
库尔斯克会战的序幕由此拉开。德军的进攻南线：苏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。但德南方集团军群的第4装甲集团军仍然按部就班地发起了进攻。在损失36辆坦克后，德军艰难的越过了苏军的反坦克雷区，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近卫步兵师难以低挡被迫后退，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于6日在苏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于7月6日的反攻，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，完全压制住了苏联空军。经过一天激战，双方都受到了很大损失。在6日傍晚，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
斯大林亲自打来的电话，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7日的战斗中，德军只向前推进了数公里，未能达成突破苏军防线的任务。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7、8两日的空战，苏联空军也逐渐扭转了劣势，完全夺取制空权只是时间问题。7月9日是库尔斯克会战关键的一天，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－普罗霍罗夫卡坦克大战上演了。战后很长时间，史学家们一直认为在1943年7月12日苏德双方共有1500余辆坦克和自行火炮在普罗霍罗夫卡激战，普罗霍罗夫卡坦克大战也因此被认为是人类战争史上最大规模的坦克战，并闻名于世，成为一个传奇。随着时间的推移，大量资料的解密，尤其是冷战的结束，
前苏联资料的公开，使得研究者们发现这次坦克大战的规模要比原先认为的小得多，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，苏军约400辆。7月12日晨，战斗打响，苏德双方几乎是同时发动了进攻，开始时，德军“
虎式”坦克的88毫米炮优势明显，而苏军T-34坦克的76毫米炮在同样距离下无法对德军造成威胁，因此苏军坦克开足马力以最高速度冲向德军。希望能接近德军的坦克，发挥T-34机动性的优势来战胜笨重的“虎式”坦克。在冲锋过程中，苏军坦克付出了惨重代价。当双方接近后，战斗变得更加惨烈，坦克一辆一辆地被摧毁，但在被毁的坦克旁，双方的坦克兵仍在互相射击，甚至互相肉搏。战斗一直持续到傍晚，最后因双方都精疲力竭才停了下来，而战场上到处都是坦克残骸和尸体。