在前沿陣地，紅俄軍精心地設計他們的防禦，構築了數道防線，防禦縱深超過100英裏，整個防禦體係由大量互相緊密配合的戰壕、鐵絲網、反坦克火力點和反坦克溝壕以及雷區組成，在德軍最可能的進攻方向上，聚集了大量的兵力和火力。
一個個被認為德軍可能發動進攻的日子都平安地渡過了，兩個月來前線顯得十分平靜，時間到了7月瓦圖京上書最高統帥朱加什維利認為紅俄軍應該率先展開攻勢因為紅俄軍所做的準備都是為了夏季的德軍攻勢而準備的如果到了秋天紅俄軍的工事就將失去作用。於是紅俄軍統帥部下令抓住一個德軍俘虜，之後，在突出部南部的紅俄近衛第6集團軍捕獲了德軍第168步兵師的一個士兵，他供認德軍即將在第二天開始進攻，淩晨，在突出部北部的蘇第13集團軍俘虜了一個德軍德國第6步兵師的中士，他也供認德軍將在幾小時之後發動進攻。為了打亂德軍進攻步驟，朱可夫於5日2時20分下達向德軍陣地實施了炮火反準備的命令，庫爾斯克會戰的序幕由此拉開。
紅俄軍的炮擊完全出乎德軍的意料，造成很大損失，雖然比原計劃推遲了3個小時。而德南方集團軍群的第4裝甲集團軍根據預定計劃發動進攻，在損失36輛坦克後，德軍艱難的越過了紅俄軍的反坦克雷區，猛攻蘇第67近衛步兵師的防線，麵對德軍3個師的進攻，蘇第67近衛步兵師難以抵擋被迫後退，瓦圖京於是把方麵軍預備隊調了過來，以期能把德軍擋在第二道防線外。但不幸的是德軍還是在紅俄軍第二道防線上打開了一道缺口，並強渡了佩納河。
由於德軍的進攻比預計的要猛烈的多，瓦圖京被迫取消了原定反攻，而將計劃用於反攻的第1坦克集團軍的部分坦克布置在防線後方以支援步兵進行防守，部分坦克布置在側翼打擊德軍。這一天，德國空軍出擊了超過1000架次，完全壓製住了紅俄空軍。經過一天激戰，雙方都受到了很大損失。
傍晚，瓦圖京向華西列夫斯基請求增援，後者在得到最高統帥部的同意後，立即把草原方麵軍第5近衛集團軍的第2和第10坦克軍353輛坦克調往沃羅涅日方麵軍。同時瓦圖京接到朱加什維利親自打來的電話，要求他不惜一切代價，阻止德軍在庫爾斯克突出部南部的突破。在戰鬥中，德軍隻向前推進了數公裏，未能達成突破紅俄軍防線的任務。第二天，德軍仍然頑強地繼續他們的攻勢，而瓦圖京也在計劃反攻，為此他向最高統帥部請求把草原方麵軍的第5近衛坦克集團軍和第5近衛集團軍調給他指揮，他的請求很快就被批準了，但這些部隊需要幾天的時間才能到達。在製空權的爭奪上，通過空戰，紅俄空軍也逐漸扭轉了劣勢，完全奪取製空權隻是時間問題。
瓦圖京指揮部隊繼續在正麵抵擋德軍向奧博揚推進，同時在兩翼連續發動反擊，雖然這些反擊一次又一次的遭到失敗，但卻使德軍無法全力以赴的攻擊他們的主要目標。德第4裝甲集團軍司令霍斯將軍見無法從正麵突破奧博揚，便決定先從右翼突破，他命令第2黨衛裝甲軍轉向東北的普羅霍羅夫卡。接下來的兩天，德軍的進攻還比較順利，他們攻到了普羅霍羅夫卡城下，庫爾斯克會戰的高潮－上演了。
雙方直接參戰的坦克和自行火炮也隻有約600輛。其中德軍不到200輛，紅俄軍約400輛。戰鬥打響，蘇德雙方幾乎是同時發動了進攻，在戰鬥中德軍“虎式”坦克的88毫米炮與改進款的“獵犬四型”坦克的75毫米長身管坦克炮優勢明顯，而紅俄軍T-34坦克的76毫米炮在同樣距離下無法對德軍造成威脅，大量的紅俄軍坦克在交戰距離以外就被德軍擊毀。紅俄軍近衛第5坦克集團軍戰報報告所屬坦克軍已經喪失了繼續進攻的能力，已經將餘下的坦克編入步兵部隊。
在這天的坦克大戰中德軍雖然以相對較小的損失，摧毀了更多的紅俄軍坦克，但他們卻沒能攻占普羅霍羅夫卡，而隨後源源趕到的紅俄軍援兵使他們的防線將更加堅固。
該戰役可被評為在戰術上付出很大代價及紅俄軍被迫撤退，無論紅俄軍近衛第5坦克集團軍或德軍武裝黨衛軍第2裝甲軍均不能達到其目的，坦克的損失已經是引起爭論的題目，紅俄軍的損失由少至200輛至多至822輛，其中大部分為絕對損失。同樣地，德軍的損失由少至80輛至多至數百輛，包括很多虎式坦克，這個數字在德國人於計算損失坦克數字的哲學上不可能成立，從第一警衛旗隊裝甲師及第二帝國裝甲師的需要完全報銷的坦克數字隻有3輛，另有數目不詳的坦克損壞，很多的損失來自都是紅俄軍在之後的奧澤洛夫?魯緬采夫行動的反攻中因攻占德軍坦克的維修工廠，因此行動中的德軍坦克損失數字大約是70至80輛，但不清楚需要短期或長期維修的數字。