戰至7月10日，莫德爾已經用完了所有的預備隊，並且損失了全軍將近三分之二的坦克，莫德爾隻得轉攻為守。在南麵，霍特前進到了戰略要地奧博揚附近，嚴重威脅到庫爾斯克的南麵，迫使蘇軍後退並重整防線。同時，南麵的另一支德軍肯夫兵團也打通了一條進路，鞏固了第四裝甲集團軍的右側翼。
7月12日，防守北麵奧略爾突出部的德中央集團軍群的第二裝甲集團軍遭到蘇西方方麵軍、布良斯克方麵軍及中央方麵軍的攻擊，中央集團軍群總部不得不把莫德爾的第九集團軍的四個師抽回防守，德軍北麵攻勢因此停頓下來。
在南麵，南方集團軍群的裝甲軍繼續向奧博揚和普羅霍羅夫卡實施猛烈突擊，擔任主攻的是豪瑟指揮的黨衛裝甲軍，轄有近七百輛坦克，其中約一百輛是虎式坦克。其左側是第四十八裝甲軍，右側還有肯夫兵團的三百輛坦克支援。當日上午9點，在普羅霍羅夫卡城的南郊，第2SS黨衛裝甲軍遭遇到草原方麵軍派來增援的部隊，主要是羅托米斯托夫指揮的近衛第五坦克集團軍，該集團軍擁有八百五十輛坦克，大部分是T-34，另外還有近衛第五集團軍。這兩個部隊自7月初即被保留作為預備隊，兵員及裝備都經過充分的補充。
兩軍裝甲主力相遇後，很快就絞殺在一起。德軍的坦克炮雖然能在1500～1800米的距離開火，但在這種情況下，虎式坦克強力的火炮及厚重的裝甲都討不到什麼便宜，反而是巨大的炮塔不易旋轉成了致命傷。不多久，草原上到處都是坦克的殘骸。濃密的硝煙彌漫了戰場，坦克行進和射擊揚起的沙塵更阻礙了兩軍的視野，兩軍的士兵也混雜在其中互相廝殺。炮聲、槍聲、爆炸聲、喊殺聲和哀號聲響成一片。坦克手僥幸的從燃燒的坦克裏爬出後，往往被迫拿起步槍像步兵一樣作戰，有時雙方的坦克手甚至用匕首肉搏。除黨衛裝甲軍外，第四十八裝甲軍也遭遇了蘇第一坦克集團軍和近衛第六集團軍，肯夫兵團到了下午也投入了普羅霍羅夫卡的戰鬥。德軍第四航空隊和蘇軍第二、第十七航空軍的飛機都盡全力支援地麵戰鬥，空中和地麵爆炸聲不絕於耳。
這場普羅霍羅夫卡空前規模坦克大戰，一直持續到傍晚才結束。在曆經8個小時血戰後，德黨衛裝甲軍和蘇近衛第五坦克集團軍都損失了超過三百五十輛坦克，德軍步兵傷亡多達一萬人，蘇軍步兵損失不詳。到7月12日為止，南方集團軍群擊潰了蘇軍十個坦克軍或機械化軍的預備隊，向前突破了三十多公裏。俘獲蘇軍二萬四千多人，繳獲、擊毀蘇軍坦克一千八百輛、野戰炮二百六十多門、戰防炮一千多門。
7月13日，希特勒緊急召回克魯格和曼施泰因開會，他首先宣布英美聯軍已於7月10日在西西裏島登陸，意大利的情勢惡化。希特勒認為，德軍必須要抽調兵力到意大利和巴爾幹半島，決定停止“堡壘”作戰。作為妥協，他同意讓曼施泰因的南方中央集團軍群繼續攻擊庫爾斯克的蘇軍，直到擊潰蘇軍裝甲預備隊為止。
在北麵奧略爾方向，蘇軍於7月12日就開始轉入反攻。投入兵力達到一百二十餘萬人、兩萬門火炮以及二千四百多輛坦克、二千餘架飛機。蘇軍以近衛第十一坦克集團軍為主，向德第二裝甲軍團的陣地突破。蘇軍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。然而即使是這麼強力的反攻，蘇軍仍然無法重演斯大林格勒的大包圍。莫德爾利用數道預備好的防線，巧妙地遲滯蘇軍的攻勢，慢慢地將德軍撤出奧略爾。直到8月5日蘇軍才終於收複奧略爾，大部分的德軍已經安然撤退到下一道防線。而在南部戰線，希特勒於7月17日撤出了黨衛裝甲軍前往意大利。於是曼施泰因隻好停止攻勢，向後撤退，蘇軍8月23日收複了卡爾可夫。至此，庫爾斯克大會戰結束。