德国空军为了给接下来的坦克部队前进铺平道路，在南北两路的进攻方向上均投入了大量轰炸机、俯冲轰炸机和强击机。同时还派出大批战斗机为轰炸机和地面部队提供空中掩护。苏联空军也针锋相对，派出大批歼击机争夺制空权，拦截来袭之敌，同时以轰炸机、强击机猛轰敌地面部队。双方在地面战场均投入了上千辆坦克和自行火炮，双方空军均拿出反坦克杀手锏。苏军强击机配备了一种新式反坦克聚能炸弹，它重约2．5公斤，能击穿德军最新型的“虎”式和“豹”式坦克。德军则使用了两种专用反坦克攻击机，一种是改装了的HS－129Ｂ2强击机，它发射的穿甲弹由钨合金包覆弹头，能穿透数十毫米厚的坦克装甲；另一种是JU－87Ｇ型飞机，摧毁力更大。这两种飞机均在1942年下半年研制成功，属世界第一批专用反坦克攻击机，德军用它们组建了若干个反坦克攻击大队，指望它们能在这次行动中一显身手。
激烈的战斗在空中和地面同时铺开。双方的歼击机与歼击机之间、歼击机与轰炸机之间、轰炸机与坦克之间展开了天昏地暗的大混战。空战、空袭、反空袭交替进行，直杀得库尔斯克地域烈焰翻卷不休，浓烟遮天蔽日。
2.地空大决战
7月12日，德军南方集团军对普洛赫洛夫卡发动了总攻击。如果德军能顺利占领该城，那么德军进攻库尔斯克的取胜把握便会大增。
德国担任主攻的是豪瑟将军指挥的第2SS军团，辖有近700辆坦克（其中约100辆是虎式坦克）。33（纳粹武装近卫队）是希特勒的私人军队，也是希特勒种族优越神话下的产物。加入33的士兵不仅要有纯正的雅利安血统，也要求具备强健的体格。纳粹在宣传上总是将33塑造成钢铁般的劲旅，但实际上33缺乏有经验的各级干部，战斗的伤亡率颇高，并不见得比国防军的精锐部队高明多少。不过SS的人员及装备补充都有优先权，编制也比国防军的部队大。因而，33仍称得上是德军引以为傲的精锐部队。
在33军团左侧是身经百战的第48装甲军，右侧还有肯夫军团的300辆坦克支援。自清晨发动攻击开始，德军就陆续遭到苏军数个机械化部队的攻击，到了大约上午9点，两军的主力终于在普洛赫洛夫卡城的南郊遭遇。
作为苏军先锋的第5近卫坦克军团首先冲进了德军的队伍中。德军坦克炮虽然能在1500至1800米的距离开火，但此刻它们面对苏军坦克的全速出击只能望洋兴叹，于是两军很快纠结在一起。在这种情况下，德军虎式坦克强力的火炮以及苏军的拉—5Ｈ型坦克，都无法讨到什么便宜，它们那巨大的炮塔不易旋转反而成了致命伤。不多久，草原上到处都是坦克的残骸。浓密的硝烟弥漫着战场，坦克行进和射击扬起的沙土更阻碍了两军的视野，双方的士兵也混杂在其中互相厮杀。
在近距离对攻中，无数的惨烈战斗不断地在上演，炮声、枪声、爆炸声和哀嚎声处处可闻。坦克乘员侥幸从燃烧的坦克里爬出后，往往被迫拿起步枪像步兵一样地作战，有时双方的坦克兵甚至用匕首肉搏。
就在南线坦克部队激战正酣之时，北线也展开了正面对攻。不过唱主角的却不是坦克而是空军．担任北线防御的苏联空军第16集团军，从开战第一天起就同德军展开了激战。空战中，苏联飞行员表现出的机智勇敢令德军吃惊不小，加上飞机本身性能良好，于是一架架德军飞机拖着浓烟撞向地面，往往还误中自己的坦克。战斗中，苏军研制的聚能炸弹大显神威，强击航空兵第291师使用这种武器，一口气便干掉了德军坦克30辆，以致德军坦克参谋长梅伦将军悲叹道：“许多坦克成了苏联空军的牺牲品，俄国飞行员表现得特别勇敢。”
在空军的有效支援下，苏军地面部队顽强地顶住了各路强攻的德军。到7月5日夜，德军仅在奥利霍瓦特卡方向楔入苏军防御区6～8公里。
然而，防御战役的第二天表明，苏联空军为压制和消灭大量目标分散了自己的兵力。歼击机的作战也暴露出一些缺点：他们迷恋于同敌战斗机作战，有时竟把敌轰炸机置之于不顾；有些歼击机巡逻队只在已方上空值班待命，没有按高度作梯次配置，这样就只能通过不间断的空中巡逻来掩护地面部队，造成了兵力的大量消耗。
7月6日，苏军航空兵克服了前一天作战中存在的缺点。他们注意监视空中情况，必要时还用机场值班分队来加强歼击机巡逻队。为了更加主动地打击德机，他们甚至还大胆地把巡逻警戒线推至敌占区空域。
德军航空兵遇到顽强的抵抗，其攻势严重受挫。而苏军航空兵却不断加强突击，这一天出动架次比7月5日多了一倍。在战斗机的92次空战中，共消灭德机113架。轰炸、强击航空兵也于6日展开了强大的反突击，给楔入防线之敌造成重大杀伤。
从7月7日开始，苏军牢牢地掌握了战区北部的空中主动权，大部分德军轰炸机还未开到战场即遭到了拦截，并且损失惨重。
至10日，德军在奥寥尔-库尔斯克方向上的进攻能力已经枯竭，不得不转入了防御。首先，北线作战中，苏空军第16集团军出动飞机7600架次，远程航空兵出动800架次，共消灭德军飞机517架，有力地支援了地面部队粉碎德军进攻。陆军部队对他们的表现给予很高评价，第13集团军总指挥在报告中写道：“请向空军全体人员转达我们地面部队的衷心感谢，感谢他们从空中给我们的积极支援。我们都怀着爱戴的心情赞扬自己的战友从空中实施的成功突击。”
在南线，担任防御的苏军航空兵打得更加顽强。当德军从别耳哥罗德向库尔斯克城以南的奥博扬发起主攻后，沃罗涅日方面军几乎将其所有兵力都集中到了奥博扬一线。从5日开始，双方又展开了歼击机大战，参战飞机之多、空战频率之高、战况之惨烈，均达到惊人的程度。在宽20公里、长69公里地区上空，同时有双方的2000多架飞机在纵横交织，几乎遮蔽了天空。一次参战的飞机常常多达100～150架。7月5日双方编队空战达99次。至10日止，仅空军第2集团军的歼击机就进行了205次空战，击落德军飞机330架，自己只损失153架。
强击航空兵和轰炸航空兵主力，用于打击猖狂北进的德军坦克集团。头两天，强击机和轰炸机都以6～8机编队活动，收效并不很大。后来为了提高突击效率，减少飞机的损失，便改以30～40机编队实施集中突击。因为大编队强击机和轰炸机的防御能力更强，歼击机也更容易掩护。如此铺天盖地的空中火力，给德军的进攻造成了极大的困难。
德国空军历来以作战迅速勇猛而一度让盟军伤透脑筋，此次在库尔斯克的表现当然也不同凡响。他们对苏军地面部队的空袭曾一度十分凶猛。7月8日清晨，德军第一个反坦克大队——第9强击联队第4大队在巡逻中发现别耳哥罗德以北有苏军—个坦克旅，正向德军的侧翼运动，立即集中了全大队的56架Ｈｓ-L29Ｂ2强击机展开超低空迎头痛击，30毫米穿甲弹雨点般飞向坦克集群，短短几分钟内便有6辆坦克起火燃烧。苏军被迫停止了攻势后撤。
面对苏军优势兵力的顽强抵抗，7月10日，损失惨重的德军被迫中止了对奥博扬的进攻，德军第一阶段南北对进计划就这样被无情粉碎了。但是，希特勒不肯罢休，他进行了重新部署，把进攻重点放到南线，将坦克师、机械化师和航空兵的主力调到了奥博扬东南的普罗霍罗夫卡地域，打算从东南方向迂回包抄库尔斯克。沃罗涅日方面军针锋相对，及时调整了自己的部署，决心以攻对攻，彻底粉碎进攻之敌。
至7月23日，沃罗涅日方面军的部队完全恢复了7月5日前所处的位置。在别耳哥罗德-库尔斯克方向防御战役期间，苏军航空兵共出动飞机1926架次，击落德机899架。至此，希特勒攻占库尔斯克的“卫城作战”计划彻底破产。
3.库尔斯克大反攻
早在战役开始之前，苏军统帅部在作战计划中就明确规定，在挫败德军攻势后，应抓住战机，对德军占领区实施全面反攻。7月12日，双方南线部队鏖战普罗霍罗夫卡之际，苏军便在北面开始执行“库图佐夫”计划，一直伺机而动的西方面军和布良斯克方面军分别从奥寥尔突出部的北、东两个方向发起了强大攻势，总兵力超过德军两倍，占据了绝对优势。