德國空軍曆來以作戰迅速勇猛而一度讓盟軍傷透腦筋，此次在庫爾斯克的表現當然也不同凡響。他們對蘇軍地麵部隊的空襲曾一度十分凶猛。7月8日清晨，德軍第一個反坦克大隊——第9強擊聯隊第4大隊在巡邏中發現別耳哥羅德以北有蘇軍1個坦克旅，正向德軍的側翼運動，立即集中了全大隊的56架HS-L29B2強擊機展開超低空迎頭痛擊，30毫米穿甲彈雨點般飛向坦克集群，短短幾分鍾內便有6輛坦克起火燃燒。蘇軍被迫停止了攻勢後撤。
麵對蘇軍優勢兵力的頑強抵抗，7月10日，損失慘重的德軍被迫中止了對奧博揚的進攻，德軍第一階段南北對進計劃就這樣被無情粉碎了。但是，希特勒不肯罷休，他進行了重新部署，把進攻重點放到南線，將坦克師、機械化師和航空兵的主力調到了奧博揚東南的普羅霍羅夫卡地域，打算從東南方向迂回包抄庫爾斯克。沃羅涅日方麵軍針鋒相對，及時調整了自己的部署，決心以攻對攻，徹底粉碎進攻之敵。
至7月23日，沃羅涅日方麵軍的部隊完全恢複了7月5日前所處的位置。在別耳哥羅德—庫爾斯克方向防禦戰役期間，蘇軍航空兵共出動飛機1926架次，擊落德機899架。至此，希特勒攻占庫爾斯克的“衛城作戰”計劃徹底破產。
3.庫爾斯克大反攻
蘇軍士兵在坦克掩護下衝向敵陣早在戰役開始之前，蘇軍統帥部在作戰計劃中就明確規定，在挫敗德軍攻勢後，應抓住戰機，對德軍占領區實施全麵反攻。7月12日，雙方南線部隊鏖戰普羅霍羅夫卡之際，蘇軍便在北麵開始執行“庫圖佐夫”計劃，一直伺機而動的西方麵軍和布良斯克方麵軍分別從奧寥爾突出部的北、東兩個方向發起了強大攻勢，總兵力超過德軍兩倍，占據了絕對優勢。
戰鬥開始前夜，蘇軍遠程航空兵和夜間轟炸航空兵在兩個方向上進行了長時間、大規模的航空突襲，對德軍火炮陣地、防禦支撐點和兵力集結地域徹夜猛轟，炸得德軍暈頭轉向。其中在東線出動了600多架次，投彈550噸。12日晨，各路航空兵又以猛烈的直接火力和施放煙幕掩護陸軍發起了地麵衝擊。北線，強擊航空兵也連續出動，為進攻部隊清障開道。
發起進攻1小時後，德軍轟炸機群飛臨戰場上空，企圖對蘇軍部隊實施突擊。早在空中和機場待戰的近衛殲擊航空兵第1軍的殲擊機立即迎擊，它們以猛烈的攻擊將德轟炸機隊形打亂，使其無法對蘇軍部隊進行瞄準轟炸。
當日，蘇軍航空兵共出動飛機2174架次，空戰72次，消滅德機86架，自己則損失59架。與蘇軍飛行員共同作戰的還有“自由法國”誌願飛行員組成的“諾曼底”大隊，他們由戴高樂將軍派遣，於1943年5月到達前線，編入空軍第1集團軍。他們在同德機的格鬥中表現尤為英勇，到7月底，已擊落敵機30餘架。
在8天之內，蘇聯西方麵軍部隊推進了70公裏，布良斯克方麵軍部隊推進了20公裏。德軍急忙增調來10個師的兵力，發起了強大的反衝擊。蘇軍空軍出動第1和第15集團軍的幾乎全部兵力，對德軍反衝擊部隊實施全力突擊，打得德軍人仰馬翻、屍橫遍野。僅7月25日一天，空軍第1集團軍就消滅德軍大約25輛坦克、150輛汽車、5個炮兵連和大量步兵。到7月29日止，博爾霍夫的德軍集團完全被粉碎。
在東線，強擊航空兵第3軍於12日晨也向德軍發起猛攻，消滅和壓製突破地段上的敵軍火器和部隊。在部隊發起衝擊前5分鍾，89架轟炸機又對德軍一些重要的抵抗樞紐和炮兵陣地投下了500枚爆破彈和3000多枚殺傷彈。
轟炸機、強擊機和炮兵的集中突擊，打得德軍士氣沮喪，防線土崩瓦解，蘇軍乘勢順利推進。強擊機不停地消滅德軍殘存的發射點和抵抗樞紐部。蘇軍地麵部隊在航空兵的支援下節節推進，到7月16日已前出到奧列什尼亞河。7月19日，德轟炸機以8~35機編隊在戰鬥機掩護下出動，攻擊北線蘇軍坦克兵團，嚴陣以待的蘇軍殲擊機與之展開激烈空戰，擊落德機23架，其餘德機落荒而逃。8月4日拂曉，蘇軍突入奧寥爾城，一天之內城內德軍便全部被肅清。