蘇聯紅軍進攻
奧廖爾戰鬥
蘇聯紅軍的進攻率先在庫爾斯克北部發起，當德軍的攻勢在阻止後，蘇聯紅軍決定發動進攻，並以打敗拿破崙入侵的俄國元帥“庫圖佐夫”的名字作爲此次戰役的代號。蘇聯紅軍向奧廖爾突出部的德軍陣地實施了長達兩個多小時的炮擊，隨後索科羅夫斯基上將的西方方面軍和波波夫上將布良斯克方面軍的一線部隊開始進攻。德軍則進行着頑強的抵抗，給蘇聯紅軍造成重大傷亡。科索夫斯基大將指揮蘇中央方面軍的第70、第13和第48集團軍也加入攻擊。
此時蘇聯空軍也完全控制了制空權，法國“諾曼底”航空大隊也在庫爾斯克上空與蘇聯空軍並肩作戰。面對坦克和兵力都佔優勢的蘇聯紅軍，莫德爾無力阻止其進攻，他意識到失去奧廖爾只是時間問題。莫德爾向希特勒請求放棄奧廖爾將德軍後撤至“哈根”防線，但被希特勒否決。到墨索里尼下臺，意大利退出戰爭的跡象已經十分明顯，希特勒需要從歐洲東線抽調兵力去意大利，而奧廖爾突出部的德軍也面臨被蘇聯紅軍合圍的危險。在莫德爾和克魯格再一次請求後撤後，希特勒最終同意棄守奧廖爾，並調第2黨衛裝甲軍去穩定意大利的局勢。德軍向布良斯克方向的“哈根”防線撤退，撤退途中，德軍實行了殘酷的焦土政策。蘇聯紅軍攻克了奧廖爾，並繼續追擊退卻中的德軍，解放了霍特涅茨，進入卡拉切夫，蘇聯紅軍的進攻基本結束，戰線逐步穩定了下來。
在奧廖爾戰役中，蘇聯紅軍殲敵近9萬人，坦克500輛，火炮2402門，並向西推進了150公里，拉平了庫爾斯克防線，但卻未能完成戰前制定的合圍並殲滅德中央集團軍羣的計劃，蘇聯紅軍的損失也是巨大的，傷亡429，890人，損失坦克2586輛，火炮892門，飛機1，104架。
哈爾科夫戰役
在南線，當德軍和蘇聯紅軍脫離接觸時，斯大林便要求蘇聯紅軍立刻發動反攻，但朱可夫認爲經過連續的艱苦戰鬥後，在發動攻勢前，蘇聯紅軍應進行必要的補充和修整，這樣蘇聯紅軍把進攻的日期最終確定，這次作戰的代號以七年戰爭中俄國名將“魯緬採夫”的名字命名。擔當此次進攻任務的是沃羅涅日方面軍和草原方面軍，總兵力爲90萬人和2，800多輛坦克和自行火炮。
蘇聯紅軍近萬門大炮齊鳴，大量炮彈傾卸到德軍陣地上，炮擊持續了兩多小時，最後以一陣喀秋莎火箭炮的齊射作爲結束，隨後坦克和步兵開始發起攻擊。在炮擊中倖存的德兵無力阻擋蘇聯紅軍的前進，蘇聯紅軍很快就突破了德軍第一道防線，經過一天的戰鬥，蘇聯紅軍各突擊集團平均向德軍縱深推進了10～15公里。 在隨後幾天的戰鬥中，德軍的防守異常地頑強，蘇聯紅軍的坦克雖然繼續向前突破，但步兵卻被德軍纏住，進展緩慢。蘇第1坦克集團軍攻佔鮑裏索夫卡切斷了托馬羅夫卡德第255、第332步兵師和第19裝甲師的退路，但他們僅以兩千人代價突圍，雖然師長殉職。他們的頑強抵抗和勝利突圍爲曼斯坦因將德軍主力從別爾哥羅德撤往哈爾科夫贏得了時間。蘇聯紅軍收復別爾哥羅德，佔領德軍後方的後勤供應基地博戈杜霍夫，繳獲大量德軍物資和燃料。
由於蘇聯紅軍坦克隊前進很快，而步兵忙於清除被包圍的德軍，蘇聯紅軍的坦克部隊和步兵已開始脫節了。曼斯坦因希望抓住蘇聯紅軍這個弱點，他開始有計劃的撤退以贏得時間來集結兵力，等蘇聯紅軍進攻能量逐漸消耗後，實施反擊。此時瓦圖京對形勢十分樂觀，他認爲德軍已到了崩潰的邊緣，他命令前線坦克部隊繼續進攻，切斷哈爾科夫至波爾塔瓦的鐵路線，阻止德軍逃脫。
德軍已經集結完畢，並補充了充足的彈藥和燃料，曼斯坦因開始反攻，而此時蘇聯紅軍的坦克部隊仍處於追擊狀態，各部隊之間分散很廣，而步兵和炮兵仍在後方，且經過多日激戰，彈藥和燃料都已嚴重不足，更重要的是蘇聯紅軍對德軍的進攻未有察覺。蘇聯紅軍正在重犯5個月前在哈爾科夫戰役的錯誤。蘇第1坦克集團軍的第49坦克旅和第17坦克團被德軍圍殲，由於蘇第5近衛坦克集團軍的及時趕到，避免了第1坦克集團軍的全軍覆滅。在德軍的進攻下，蘇聯紅軍被迫後退，隨後蘇第六近衛集團軍的第六坦克軍被德軍包圍遭到全殲。
雙方都遭受了巨大損失，德軍的反擊雖然給蘇聯紅軍以重創，但曼斯坦因卻沒有力量進一步擴大戰果，而蘇聯紅軍數量上的優勢再次起到了決定性的作用，他們很快又恢復了進攻。其後德軍的反攻再也沒能給蘇聯紅軍造成威脅。蘇聯紅軍攻抵哈爾科夫西面的烏德河北岸，並於強渡烏德河，在南岸建立了橋頭堡。攻打哈爾科夫的戰鬥異常激烈，強大的蘇第5近衛坦克集團軍最後只剩下了50輛坦克。蘇第53集團軍率先攻入城內，德軍開始全面撤出哈爾科夫，退向第聶伯河的防線，沿途他們破壞了所有公路、鐵路和橋樑，污染了水源、焚燒一切農作物，毀壞了建築物。蘇聯紅軍收復哈爾科夫。
別爾哥羅德—哈爾科夫戰役中，蘇聯紅軍殲敵約30萬人，自身損失也達255，566人，坦克1864輛，火炮423門，飛機153架。
