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。
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。