战斗开始前夜，苏军远程航空兵和夜间轰炸航空兵在两个方向上进行了长时间、大规模的航空突袭，对德军火炮阵地、防御支撑点和兵力集结地域彻夜猛轰，炸得德军晕头转向。其中在东线出动了600多架次，投弹550吨。12日晨，各路航空兵又以猛烈的直接火力和施放烟幕掩护陆军发起了地面冲击。北线，强击航空兵也连续出动，为进攻部队清障开道。
发起进攻1小时后，德军轰炸机群飞临战场上空，企图对苏军部队实施突击。早在空中和机场待战的近卫歼击航空兵第1军的歼击机立即迎击，它们以猛烈的攻击将德轰炸机队形打乱，使其无法对苏军部队进行瞄准轰炸。
当日，苏军航空兵共出动飞机2174架次，空战72次，消灭德机86架，自己则损失59架。与苏军飞行员共同作战的还有“自由法国”志愿飞行员组成的“诺曼底”大队，他们由戴高乐将军派遣，于1943年5月到达前线，编入空军第1集团军。他们在同德机的格斗中表现尤为英勇，到7月底，已击落敌机30余架。
在8天之内，苏联西方面军部队推进了70公里，布良斯克方面军部队推进了20公里。德军急忙增调来10个师的兵力，发起了强大的反冲击。苏军空军出动第1和第15集团军的几乎全部兵力，对德军反冲击部队实施全力突击，打得德军人仰马翻、尸横遍野。仅7月25日一天，空军第1集团军就消灭德军大约25辆坦克、150辆汽车、5个炮兵连和大量步兵。到7月29日止，博尔霍夫的德军集团完全被粉碎。
在东线，强击航空兵第3军于12日晨也向德军发起猛攻，消灭和压制突破地段上的敌军火器和部队。在部队发起冲击前5分钟，89架轰炸机又对德军一些重要的抵抗枢纽和炮兵阵地投下了500枚爆破弹和3000多枚杀伤弹。
轰炸机、强击机和炮兵的集中突击，打得德军士气沮丧，防线土崩瓦解，苏军乘势顺利推进。强击机不停地消灭德军残存的发射点和抵抗枢纽部。苏军地面部队在航空兵的支援下节节推进，到7月16日已前出到奥列什尼亚河。7月19日，德轰炸机以8～35机编队在战斗机掩护下出动，攻击北线苏军坦克兵团，严阵以待的苏军歼击机与之展开激烈空战，击落德机23架，其余德机落荒而逃。8月4日拂晓，苏军突入奥寥尔城，一天之内城内德军便全部被肃清。
在北线，坚守在那里的中央方面军也于7月15日对奥寥尔突出部南翼发起猛攻。空军第16集团军每天出动飞机1000多架次，实施强有力的空中支援。8月6日，苏军收复了奥寥尔市南面重镇克罗梅。
德军兵败如山倒，全线大溃逃，苏军乘胜转入追击。侦察机频频升空，四下捕捉德军动向，轰炸机、强击机、歼击机昼夜不停突击奥寥尔一带的公路、铁路网，无情追杀逃窜中的德军车队。8月6日至10日，德军有60列列车和大批坦克、汽车被击毁，死伤惨重。8月18日，奥寥尔反击战胜利结束。此役苏军航空兵共出动60995架次，投弹5000吨，为战役胜利立下了大功。
南线的大反攻从8月3日开始。反攻前夜，远程航空兵飞机在突破地段实施了突击。翌日晨，在部队发起冲击前两小时，空军第2集团军的轰炸机和强击机在歼击机掩护下，对突破地段上的敌支撑点进行了压制。而在部队发起冲击前，两个空军集团军又有200多架飞机对主要防御地带内的目标实施了集中突击。
在苏军航空兵和炮兵的有效打击下，德军支撑点的火器有的被击毁，有的被压制，所以在进攻的头30分钟内，德军基本上没有进行抵抗。个别炮兵刚准备开炮，便被战场上空的苏军强击机发现并击毁，沃罗涅日方面军当日上午即占领了德军主要防御地带。
困兽犹斗的德军把大量航空兵投入被突破地段，意欲阻止苏军的进攻。其轰炸机主要以小编队活动，重点突击苏军进攻的步兵和坦克。但每次袭击都遇上了苏军歼击机的猛烈拦截，纷纷败下阵来。在强有力的空中掩护下，沃罗涅日方面军的坦克集团军很快突破了德军防御，到8月3日夜已向前推进了26公里。草原方面军部队也突破敌防线，楔入7～9公里。
8月5日，草原方面军部队首先解放了别耳哥罗德，并向哈尔科夫防线外围逼近。几日后，沃罗涅日方面军也将德军别耳哥德—哈尔科夫集团军拦腰切成两段。
德军急忙把预备队从其他地段调往哈尔科夫一带。苏军空中侦察机及时发现了德军的调动，苏军也采取了果断的措施，调来大批航空兵给予打击。南方面军空军第8集团军第一个投入对德军预备队的战斗，其轰炸机向调往哈尔科夫地区的敌坦克兵团和摩托化兵团发起猛烈攻击。空军第17、第5和第2集团军的轰炸机和强击机也先后参战。它们成功地袭击了沿线许多铁路车站，消灭了行进途中的许多军列和汽车纵队。
由于苏联陆军和空军协调一致的行动，德军的反突击一直未获成功。空军第2集团军的飞行员几天中就消灭了德军数十辆坦克、数百辆汽车，以及几个火炮和追击炮连。德军损失惨重，被迫退却。
当沃罗涅日方面军正在抗击德军的反突击的同时，草原方面军又于8月18日突破了哈尔科夫外围防线，对敌构成三面合围态势。德军弃城出逃，苏军立刻派出空军第5集团军几乎全部兵力进行阻截。仅8月21日至22日，苏军就出动1300架次，击毁、击伤坦克多辆、汽车上百辆。
总之，在别耳哥罗德一哈尔科夫方向的反攻中，苏联航空兵共出动飞机28265架次，为陆军部队完成任务创造了很好的条件。
自7月12日开始，苏军的反攻便一浪高过一浪，蓄势已久的苏军投入了大批的预备队，使得库尔斯克一带的苏军累计兵力多达264万人、火炮5万多门、坦克8200辆，飞机也多达6950架。连日来德军也对库尔斯克增援，一共投入了15万余人，16万门火炮以及5000辆坦克、5000架飞机。
7月13日，希特勒紧急召回克鲁格和曼斯坦因两位前线总指挥，在一番商议后，克鲁格兵团撤出苏联前线，用于防守英美盟军在意大利的新攻势。最终，希特勒只同意让曼斯坦因单独继续作战。曼斯坦因也认为自己军队已到了胜利的边缘，只要继续努力就一定能消灭南部苏军主力。
然而，曼斯坦因这次可能误判了战况。苏军不仅拥有超过他想像的预备队，同时也已经准备进攻南部德军的右侧面，该地面仅有少数德军防守而已。但由于曼斯坦因的顽强作战，严重打击了南线的苏军，许多苏军部队一直等到8月3日才发动反攻。
在北部的奥寥尔方面，苏军以第11近卫坦克军团为主，向德军名将摩德尔的第2装甲军团的阵地突破，其火炮的密度达到每公里150～200门，坦克密度也达到每公里15～20辆。尽管苏军此次反攻规模堪称世界之最，他们却仍然无法重演斯大林格勒的大包围。摩德尔利用数道预备好的防线，巧妙地迟滞苏军的攻势，从容地将德军撤出了奥寥尔。
苏军用在奥寥尔的兵力达到128万人，此外还有2万门火炮及2400辆坦克、2000架飞机。德军方面，摩德尔除了49万部队外，还有1000辆坦克及1000架飞机。直到8月5日苏军才终于收复奥廖尔，此时大部分的德军已安全撤退到下一道防线。而在南部战线，希特勒于7月17日又撤出了33装甲军前往意大利。曼斯坦因虽然非常不愿意，但也无可奈何。最后南部战线只好改攻为守，苏军乘机展开了全面反攻。
最后，长达2个多月的库尔斯克战役以苏军大胜、德军惨败而告结束。它不仅演出了一场世纪坦克大会战，而且也是苏德空战的一个转折点。整个战争中，德军损失坦克近2000辆，飞机损失更达2000多架。经库尔斯克一役后，德军元气大伤，再也无力阻止苏军前进。不过德军的防御仍然可圈可点，减缓了苏军的前进。在战争进入尾声时，苏军又于8月23日夺回了哈尔科夫。但直到11月6日，苏军才进入基辅，接着光复了整个乌克兰。往后，整个东线就是苏军不停地进攻，德军不断地防御，直到苏军攻入柏林为止。
在这次史无前例的大规模战役中，苏德双方皆动员了上百万的士兵以及数以千计飞机，尤其令人注目的是双方共投入了4000辆坦克展开铁甲对攻，堪称“世纪坦克之战”。在这场历史上最大的坦克大会战中，德军耗尽了几乎全部的坦克师。与此同时，双方空军作战之惨烈也是历次战争中绝无仅有的。在经过十多天的血战后，希特勒的东线扩张野心被重重地打上了休止符。