在北線，堅守在那裏的中央方麵軍也於7月15日對奧寥爾突出部南翼發起猛攻。空軍第16集團軍每天出動飛機1000多架次，實施強有力的空中支援。8月6日，蘇軍收複了奧寥爾市南麵重鎮克羅梅。
德軍兵敗如山倒，全線大潰逃，蘇軍乘勝轉入追擊。偵察機頻頻升空，四下捕捉德軍動向，轟炸機、強擊機、殲擊機晝夜不停突擊奧寥爾一帶的公路、鐵路網，無情追殺逃竄中的德軍車隊。8月6日至10日，德軍有60列列車和大批坦克、汽車被擊毀，死傷慘重。8月18日，奧寥爾反擊戰勝利結束。此役蘇軍航空兵共出動60995架次，投彈5000噸，為戰役勝利立下了大功。
南線的大反攻從8月3日開始。反攻前夜，遠程航空兵飛機在突破地段實施了突擊。翌日晨，在部隊發起衝擊前兩小時，空軍第2集團軍的轟炸機和強擊機在殲擊機掩護下，對突破地段上的敵支撐點進行了壓製。而在部隊發起衝擊前，兩個空軍集團軍又有200多架飛機對主要防禦地帶內的目標實施了集中突擊。
在蘇軍航空兵和炮兵的有效打擊下，德軍支撐點的火器有的被擊毀，有的被壓製，所以在進攻的頭30分鍾內，德軍基本上沒有進行抵抗。個別炮兵剛準備開炮，便被戰場上空的蘇軍強擊機發現並擊毀，沃羅涅日方麵軍當日上午即占領了德軍主要防禦地帶。
困獸猶鬥的德軍把大量航空兵投入被突破地段，意欲阻止蘇軍的進攻。其轟炸機主要以小編隊活動，重點突擊蘇軍進攻的步兵和坦克。但每次襲擊都遇上了蘇軍殲擊機的猛烈攔截，紛紛敗下陣來。在強有力的空中掩護下，沃羅涅日方麵軍的坦克集團軍很快突破了德軍防禦，到8月3日夜已向前推進了26公裏。草原方麵軍部隊也突破敵防線，楔入7~9公裏。
8月5日，草原方麵軍部隊首先解放了別耳哥羅德，並向哈爾科夫防線外圍逼近。幾日後，沃羅涅日方麵軍也將德軍別耳哥德—哈爾科夫集團軍攔腰切成兩段。
德軍急忙把預備隊從其他地段調往哈爾科夫一帶。蘇軍空中偵察機及時發現了德軍的調動，蘇軍也采取了果斷的措施，調來大批航空兵給予打擊。南方麵軍空軍第8集團軍第一個投入對德軍預備隊的戰鬥，其轟炸機向調往哈爾科夫地區的敵坦克兵團和摩托化兵團發起猛烈攻擊。空軍第17、第5和第2集團軍的轟炸機和強擊機也先後參戰。它們成功地襲擊了沿線許多鐵路車站，消滅了行進途中的許多軍列和汽車縱隊。
由於蘇聯陸軍和空軍協調一致的行動，德軍的反突擊一直未獲成功。空軍第2集團軍的飛行員幾天中就消滅了德軍數十輛坦克、數百輛汽車，以及幾個火炮和追擊炮連。德軍損失慘重，被迫退卻。
當沃羅涅日方麵軍正在抗擊德軍的反突擊的同時，草原方麵軍又於8月18日突破了哈爾科夫外圍防線，對敵構成三麵合圍態勢。德軍棄城出逃，蘇軍立刻派出空軍第5集團軍幾乎全部兵力進行阻截。僅8月21日至22日，蘇軍就出動1300架次，擊毀、擊傷坦克多輛、汽車上百輛。
總之，在別耳哥羅德一哈爾科夫方向的反攻中，蘇聯航空兵共出動飛機28265架次，為陸軍部隊完成任務創造了很好的條件。
自7月12日開始，蘇軍的反攻便一浪高過一浪，蓄勢已久的蘇軍投入了大批的預備隊，使得庫爾斯克一帶的蘇軍累計兵力多達264萬人、火炮5萬多門、坦克8200輛，飛機也多達6950架。連日來德軍也對庫爾斯克增援，一共投入了15萬餘人，16萬門火炮以及5000輛坦克、5000架飛機。
7月13日，希特勒緊急召回克魯格和曼斯坦因兩位前線總指揮，在一番商議後，克魯格兵團撤出蘇聯前線，用於防守英美盟軍在意大利的新攻勢。最終，希特勒隻同意讓曼斯坦因單獨繼續作戰。曼斯坦因也認為自己軍隊已到了勝利的邊緣，隻要繼續努力就一定能消滅南部蘇軍主力。