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。
然而，曼斯坦因這次可能誤判了戰況。蘇軍不僅擁有超過他想像的預備隊，同時也已經準備進攻南部德軍的右側麵，該地麵僅有少數德軍防守而已。但由於曼斯坦因的頑強作戰，嚴重打擊了南線的蘇軍，許多蘇軍部隊一直等到8月3日才發動反攻。
在北部的奧寥爾方麵，蘇軍以第11近衛坦克軍團為主，向德軍名將摩德爾的第2裝甲軍團的陣地突破，其火炮的密度達到每公裏150～200門，坦克密度也達到每公裏15～20輛。盡管蘇軍此次反攻規模堪稱世界之最，他們卻仍然無法重演斯大林格勒的大包圍。摩德爾利用數道預備好的防線，巧妙地遲滯蘇軍的攻勢，從容地將德軍撤出了奧寥爾。
蘇軍用在奧寥爾的兵力達到128萬人，此外還有2萬門火炮及2400輛坦克、2000架飛機。德軍方麵，摩德爾除了49萬部隊外，還有1000輛坦克及1000架飛機。直到8月5日蘇軍才終於收複奧廖爾，此時大部分的德軍已安全撤退到下一道防線。而在南部戰線，希特勒於7月17日又撤出了33裝甲軍前往意大利。曼斯坦因雖然非常不願意，但也無可奈何。最後南部戰線隻好改攻為守，蘇軍乘機展開了全麵反攻。
最後，長達2個多月的庫爾斯克戰役以蘇軍大勝、德軍慘敗而告結束。它不僅演出了一場世紀坦克大會戰，而且也是蘇德空戰的一個轉折點。整個戰爭中，德軍損失坦克近2000輛，飛機損失更達2000多架。經庫爾斯克一役後，德軍元氣大傷，再也無力阻止蘇軍前進。不過德軍的防禦仍然可圈可點，減緩了蘇軍的前進。在戰爭進入尾聲時，蘇軍又於8月23日奪回了哈爾科夫。但直到11月6日，蘇軍才進入基輔，接著光複了整個烏克蘭。往後，整個東線就是蘇軍不停地進攻，德軍不斷地防禦，直到蘇軍攻入柏林為止。
在這次史無前例的大規模戰役中，蘇德雙方皆動員了上百萬的士兵以及數以千計飛機，尤其令人注目的是雙方共投入了4000輛坦克展開鐵甲對攻，堪稱“世紀坦克之戰”。在這場曆史上最大的坦克大會戰中，德軍耗盡了幾乎全部的坦克師。與此同時，雙方空軍作戰之慘烈也是曆次戰爭中絕無僅有的。在經過十多天的血戰後，希特勒的東線擴張野心被重重地打上了休止符。