德國空軍為了給接下來的坦克部隊前進鋪平道路，在南北兩路的進攻方向上均投入了大量轟炸機、俯衝轟炸機和強擊機。同時還派出大批戰鬥機為轟炸機和地麵部隊提供空中掩護。蘇聯空軍也針鋒相對，派出大批殲擊機爭奪製空權，攔截來襲之敵，同時以轟炸機、強擊機猛轟敵地麵部隊。雙方在地麵戰場均投入了上千輛坦克和自行火炮，雙方空軍均拿出反坦克殺手鐧。蘇軍強擊機配備了一種新式反坦克聚能炸彈，它重約2．5公斤，能擊穿德軍最新型的“虎”式和“豹”式坦克。德軍則使用了兩種專用反坦克攻擊機，一種是改裝了的HS－129Ｂ2強擊機，它發射的穿甲彈由鎢合金包覆彈頭，能穿透數十毫米厚的坦克裝甲；另一種是JU－87Ｇ型飛機，摧毀力更大。這兩種飛機均在1942年下半年研製成功，屬世界第一批專用反坦克攻擊機，德軍用它們組建了若幹個反坦克攻擊大隊，指望它們能在這次行動中一顯身手。
激烈的戰鬥在空中和地麵同時鋪開。雙方的殲擊機與殲擊機之間、殲擊機與轟炸機之間、轟炸機與坦克之間展開了天昏地暗的大混戰。空戰、空襲、反空襲交替進行，直殺得庫爾斯克地域烈焰翻卷不休，濃煙遮天蔽日。
2.地空大決戰
7月12日，德軍南方集團軍對普洛赫洛夫卡發動了總攻擊。如果德軍能順利占領該城，那麼德軍進攻庫爾斯克的取勝把握便會大增。
德國擔任主攻的是豪瑟將軍指揮的第2SS軍團，轄有近700輛坦克（其中約100輛是虎式坦克）。33（納粹武裝近衛隊）是希特勒的私人軍隊，也是希特勒種族優越神話下的產物。加入33的士兵不僅要有純正的雅利安血統，也要求具備強健的體格。納粹在宣傳上總是將33塑造成鋼鐵般的勁旅，但實際上33缺乏有經驗的各級幹部，戰鬥的傷亡率頗高，並不見得比國防軍的精銳部隊高明多少。不過SS的人員及裝備補充都有優先權，編製也比國防軍的部隊大。因而，33仍稱得上是德軍引以為傲的精銳部隊。
在33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已方上空值班待命，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。