德國司令曼施泰因仔細分析了戰場的局勢後，得出的結論是，德國最好的結局，就是設法消耗蘇軍的實力，然後伺機使蘇聯接受一個不分勝負的和平。為達到這個目的，德軍應絕對避免使用靜態防守的戰術。為此，他向希特勒提出了兩個東線戰場作戰計劃草案：一是放棄頓聶茲河和米斯河防線，把蘇軍誘入頓河下遊，再使用預先集結在那裏的德軍裝甲部隊攻擊蘇軍側麵，將其圍殲；二是先發製人，在蘇軍補充冬季損失之前，就發動攻擊。至於德軍攻擊的目標，曼施泰因認為應選在蘇軍在庫爾斯克城周圍的突出地區。因此，德最高統帥部擬定了代號為“堡壘”的作戰計劃。計劃自北麵奧廖爾和南麵別爾哥羅德向庫爾斯克突出部實施突擊，圍殲蘇中央方麵軍和沃羅涅日方麵軍，攻占庫爾斯克，爾後向西南方麵軍後方突擊。
為實施“堡壘”計劃，德軍調集了中央集團軍群和南方集團軍群的十七個裝甲師、三個摩托化師和十六個步兵師。北麵中央集團軍群派出了由莫德爾指揮的第九集團軍，轄有六個裝甲師、一個摩托化師和十一個步兵師。南翼南方集團軍群出動了兩個軍團，他們是霍特指揮的第四裝甲集團軍和肯夫指揮的肯夫兵團，共有十一個裝甲師、二個摩托化師和五個步兵師。另外約有二十個師準備在突擊集團翼側行動，第四、第六航空隊進行空中支援。總兵力為九十萬人、二千七百多輛坦克、一萬門火炮和兩千多架飛機。
蘇軍在庫爾斯克突出部地域集結了一百三十多萬人的兵力，兩萬多門火炮，三千四百多輛坦克和二千一百多餘架飛機。北邊是羅科索夫斯基指揮的中央方麵軍，南邊是瓦圖京指揮的沃羅涅日方麵軍。另外突出部的北麵有波波夫指揮的布良斯克方麵軍，南邊是馬利諾夫斯基的西南方麵軍。突出部後方的預備隊則是可涅夫指揮的草原方麵軍，總兵力超過二百多萬，坦克更多達五千多輛。
曼施泰因建議發動進攻的時間最好選在5月上旬，那時地麵幹燥，利於德軍裝甲部隊的行動，而此時蘇軍尚未調集足夠的裝甲兵力。但因德國的新型虎式、豹式坦克交貨遲誤，而希特勒堅持要等到擁有足夠的新型坦克才發動攻擊。結果等到7月初，希特勒終於決定於7月5日淩晨午3時30分展開攻擊，這時德軍的先利之機已經喪失殆盡。
就在德軍準備於5月上旬發起進攻時，蘇方情報部門就獲得了情報。於是，蘇軍統帥部把作戰警報和命令傳了下去，要求各部隊嚴陣以待，隨時做好禦敵準備。7月4日，一小股德軍潛入蘇軍陣地進行火力偵察，戰鬥中一名德軍士兵被俘，他向蘇軍供認，他們每人分到了一份幹糧和伏特加酒，為的是明日拂曉轉入突擊。蘇軍統帥部當即將這一最新情況通報了各前線部隊指揮官。
7月5日淩晨2時20分，蘇聯沃羅涅日方麵軍搶先實施了炮火和航空兵轟擊作戰，戰爭史上著名的庫爾斯克大會戰開始了。
7月5日清晨6時左右，德軍終於開始發起進攻，在北麵出師不利損失慘重。同日，南方集團軍的進攻因下雨而暫停，攻擊受挫。
7月6日清晨，德軍再次發起進攻，所有各部隊的正麵全都是激烈的血戰。北麵，莫德爾的第九集團軍在傷亡慘重及彈藥大量消耗下，不得不放棄了前進。在南麵，霍特南方集團軍群的三個裝甲軍在損失了近二百輛坦克後，繼續向奧博揚方向緩慢逼進。
7月7日，莫德爾投入了預備隊，但他發起的五次攻勢都沒能獲得多大的進展。南麵霍特的攻勢則比較順利，擊退了蘇軍第三機械化集團軍。
7月8日，莫德爾集結了三百輛坦克再度發動了猛烈的攻勢，蘇軍幾乎全軍覆沒。在南麵，蘇軍也以大敗收場。