在SS軍團左側是身經百戰的第48裝甲軍，右側還有肯夫軍團的300輛坦克支援。自清晨發動攻擊開始，德軍就陸續遭到蘇軍數個機械化部隊的攻擊，到了大約上午9點，兩軍的主力終於在普洛赫洛夫卡城的南郊遭遇。
作為蘇軍先鋒的第5近衛坦克軍團首先衝進了德軍的隊伍中。德軍坦克炮雖然能在1500至1800米的距離開火，但此刻它們麵對蘇軍坦克的全速出擊隻能望洋興歎，於是兩軍很快糾結在一起。在這種情況下，德軍虎式坦克強力的火炮以及蘇軍的拉—5Ｈ型坦克，都無法討到什麼便宜，它們那巨大的炮塔不易旋轉反而成了致命傷。不多久，草原上到處都是坦克的殘骸。濃密的硝煙彌漫著戰場，坦克行進和射擊揚起的沙土更阻礙了兩軍的視野，雙方的士兵也混雜在其中互相廝殺。
在近距離對攻中，無數的慘烈戰鬥不斷地在上演，炮聲、槍聲、爆炸聲和哀嚎聲處處可聞。坦克乘員僥幸從燃燒的坦克裏爬出後，往往被迫拿起步槍像步兵一樣地作戰，有時雙方的坦克兵甚至用匕首肉搏。
就在南線坦克部隊激戰正酣之時，北線也展開了正麵對攻。不過唱主角的卻不是坦克而是空軍.擔任北線防禦的蘇聯空軍第16集團軍，從開戰第一天起就同德軍展開了激戰。空戰中，蘇聯飛行員表現出的機智勇敢令德軍吃驚不小，加上飛機本身性能良好，於是一架架德軍飛機拖著濃煙撞向地麵，往往還誤中自己的坦克。戰鬥中，蘇軍研製的聚能炸彈大顯神威，強擊航空兵第291師使用這種武器，一口氣便幹掉了德軍坦克30輛，以致德軍坦克參謀長梅倫將軍悲歎道：“許多坦克成了蘇聯空軍的犧牲品，俄國飛行員表現得特別勇敢。”
在空軍的有效支援下，蘇軍地麵部隊頑強地頂住了各路強攻的德軍。到7月5日夜，德軍僅在奧利霍瓦特卡方向楔入蘇軍防禦區6~8公裏。
然而，防禦戰役的第二天表明，蘇聯空軍為壓製和消滅大量目標分散了自己的兵力。殲擊機的作戰也暴露出一些缺點：他們迷戀於同敵戰鬥機作戰，有時竟把敵轟炸機置之於不顧；有些殲擊機巡邏隊隻在己方上空值班待命，沒有按高度作梯次配置，這樣就隻能通過不間斷的空中巡邏來掩護地麵部隊，造成了兵力的大量消耗。
7月6日，蘇軍航空兵克服了前一天作戰中存在的缺點。他們注意監視空中情況，必要時還用機場值班分隊來加強殲擊機巡邏隊。為了更加主動地打擊德機，他們甚至還大膽地把巡邏警戒線推至敵占區空域。
德軍航空兵遇到頑強的抵抗，其攻勢嚴重受挫。而蘇軍航空兵卻不斷加強突擊，這一天出動架次比7月5日多了一倍。在戰鬥機的92次空戰中，共消滅德機113架。轟炸、強擊航空兵也於6日展開了強大的反突擊，給楔入防線之敵造成重大殺傷。
從7月7日開始，蘇軍牢牢地掌握了戰區北部的空中主動權，大部分德軍轟炸機還未開到戰場即遭到了攔截，並且損失慘重。
至10日，德軍在奧寥爾—庫爾斯克方向上的進攻能力已經枯竭，不得不轉入了防禦。首先，北線作戰中，蘇空軍第16集團軍出動飛機7600架次，遠程航空兵出動800架次，共消滅德軍飛機517架，有力地支援了地麵部隊粉碎德軍進攻。陸軍部隊對他們的表現給予很高評價，第13集團軍總指揮在報告中寫道：“請向空軍全體人員轉達我們地麵部隊的衷心感謝，感謝他們從空中給我們的積極支援。我們都懷著愛戴的心情讚揚自己的戰友從空中實施的成功突擊。”
在南線，擔任防禦的蘇軍航空兵打得更加頑強。當德軍從別耳哥羅德向庫爾斯克城以南的奧博揚發起主攻後，沃羅涅日方麵軍幾乎將其所有兵力都集中到了奧博揚一線。從5日開始，雙方又展開了殲擊機大戰，參戰飛機之多、空戰頻率之高、戰況之慘烈，均達到驚人的程度。在寬20公裏、長69公裏地區上空，同時有雙方的2000多架飛機在縱橫交織，幾乎遮蔽了天空。一次參戰的飛機常常多達100~150架。7月5日雙方編隊空戰達99次。至10日止，僅空軍第2集團軍的殲擊機就進行了205次空戰，擊落德軍飛機330架，自己隻損失153架。
強擊航空兵和轟炸航空兵主力，用於打擊猖狂北進的德軍坦克集團。頭兩天，強擊機和轟炸機都以6~8機編隊活動，收效並不很大。後來為了提高突擊效率，減少飛機的損失，便改以30~40機編隊實施集中突擊。因為大編隊強擊機和轟炸機的防禦能力更強，殲擊機也更容易掩護。如此鋪天蓋地的空中火力，給德軍的進攻造成了極大的困難。