同一天，7月12日凌晨2时，布良斯克方面军第3集团军和第63集团军进行了长时间的炮击。这两个集团军使用了4000门火炮和迫击炮，航空兵也发动了强大的空袭。在炮火的掩护下，在坦克的支援下，这两个集团军冲向德军，攻入第一道堑壕，不断地击退德军反攻。但德军拼命死守，击退苏军的多次进攻。
7月13日晚前，近卫第11集团军突破德军防线，推前达25公里。为从西部掩护近卫第11集团军，第50集团军于当天发动了进攻。
布良斯克方面军第3集团军和第63集团军推进达15公里，突破口宽度为25公里。这两个集团军遭到德军的顽强反抗，不得不进行艰苦的攻坚战。
德军第9集团军和坦克第2集团军于7月13日的报告中说：“在宽大地段上，苏军进攻的重点移向坦克第2集团军，而且快得出乎意料。”
为了突破德军的强大防线，苏军中的党团员们冲锋在前，并做好普通士兵的作战动员工作。近卫第11集团军进攻时，其第70坦克旅的先头部队，共产党员丘布科夫率领的第263坦克营作战十分勇敢。该坦克营于夜里攻入乌里扬诺沃市。
德军寡不敌众，被迫撤退。第263坦克营在追杀德军时，在行进间消灭了斯韦特雷韦尔赫村的德军警备队。经过激烈的战斗，该营又收复了克拉皮夫纳村。在进攻丘赫洛沃村时，该营消灭了一个德军司令部，歼灭了梅列霍沃警备队。后来，丘布科夫被授予“苏联英雄”称号。该营的大部分坦克兵均获得了嘉奖。
此外，在奥廖尔战役中，有许多苏军飞行员表现十分勇敢，发扬了英雄主义精神，均被授予“苏联英雄”称号。这些飞行员中，近卫第63歼击航空兵团副大队长马列西耶夫上尉首屈一指。该大队领导在上报他的战绩时说：“马列西耶夫同志尽管失去了双脚，但成功执行了7次战斗飞行，击落3架德机，表观异常顽强，空战技能高超。
在苏军的反攻下，苏德战场的战略形势发生了巨大的变化。德军在最重要的战略方向上防御，即1943年7月的奥廖尔方向。
在奥廖尔登陆场，苏军攻势不断加强。希特勒将坦克第2集团军司令施密特解职，把该集团军与第9集团军都交给莫德尔指挥。莫德尔得到了希特勒的信任，号称德军防御之“狮”。
莫德尔要求德军战至最后一个人，增援的预备队应不分日夜地快速机动。7月中下旬，希特勒从战役预备队和苏德战场的其他地方调来17个师，增援莫德尔。
7月15日，奥廖尔登陆场的战斗规模急剧扩大。从早上起，中央方面军右翼第48、第13、第70集团军和坦克第2集团军发动进攻，对敌军防线中心实施主攻。苏军每推进一公里，都要付出很大的代价。
中央方面军司令罗科索夫斯基在那时的日记中写道：“中央方面军右翼部队在几天前的防御战中损失惨重，当他们转入反攻时又遇到很大阻力，德军躲在工事里负隅顽抗。德军擅长机动防御，一部分部队负责防御，另一部分部队占领新阵地。德军不断地把部队投入反攻。”
经过3天的激战，中央方面军将插入中央方面军防线的德军赶回原出发阵地。
空军第16集团军每天都出动1000多架次以上的飞机，支援中央方面军的主攻方向。苏航空兵的密集空袭在支援地面部队中取得了很大战果，德军炮兵几乎全被他们压制住。
每支轰炸机编队和强击机编队攻击德军时，都有歼击机护航。苏军歼击机的架数和战斗队形经常变化。除了直接护航外，有时苏军提前派出歼击机群，将德军的歼击机赶走。
德军为了阻止苏军的攻势，集中使用了航空兵。在奥廖尔方向，苏军的歼击机群在空中与德机展开了激烈的空战，以密集的航空火力压制德机。
苏军飞行员西多罗夫连日来立下了赫赫战功，他率领的歼击机大队对德军轰炸机群发起猛攻，冲散德机的队形，不准德轰炸机群靠近战场上空。西多罗夫在第一次进攻时，摧毁了德轰炸机群的长机。在接下来的战斗中，他又击落两架德军歼击机，又用自己被击燃的飞机撞毁一架德机。西多罗夫牺牲后，被苏联政府追授为“苏联英雄”。
在奥尔洛夫希纳上空，“诺曼底”飞行大队的法国飞行员参战了。飞行员弗朗苏亚多次出现在苏德战场上。在7月15、16、17日，“诺曼底”飞行员们英勇地攻击着德机。空战十分残酷，他们感到非常疲劳，仍不断地飞行，因缺少睡眠把双眼都熬红了。而空战必须持续进行，着陆甚至不足10分钟，就要起飞迎战。7月15日，蒂兰和戴福什击落两架德军Me-110。这种德国飞机的机动性能差，苏联“雅克”式飞机很快就绕到它的尾部，一个机枪点射就能击毁它。
7月16日和17日，法国飞行员们在与德机的空战中，表现出高超的空战技能。他们在库尔斯克会战中连续作战，也受到了损失。在会战中牺牲的有：飞行大队蒂兰少校、副大队长阿尔贝尔、利托尔夫大尉、诺艾里·卡斯蒂兰、阿普德连、斐尔明、泰德斯科中尉。
苏军的攻势越来越猛，不断扩大进攻战果。苏军近卫第11集团军推进至博尔霍夫与霍特涅茨，前进了70公里。苏军第61集团军努力打通了博尔霍夫，第3与第63集团军推进至奥列申河的德军中间防御地带。
7月下半月，奥廖尔方向的战斗越来越紧张。为了增强进攻力量，歼灭奥寥尔的德军，苏军投入了预备队，苏军统帅部调来第11集团军，7月18日又调来坦克第4集团军和近卫第2骑兵军加强了西方面军。苏军统帅部还将近卫坦克第3集团军编入布良斯克方面军。
当上述预备队进入战场时，困难是非常大的。暴雨影响了行动，但当时的情况要求立即把新部队投入战斗，以击退德军的反冲击。结果，预备队往往还没有完成集结和完成进攻准备就要在行进间参战。新的部队源源不断地参战，对战役胜利起到了很大的作用。
近卫坦克第3集团军转隶布良斯克方面军后，在进攻中发挥了重要作用。7月19日晨，该集团军开始参战，负责突击普罗塔索沃、奥特拉达方向，协同第3集团军消灭姆岑斯克的德军。
在短时间炮火准备和空袭后，近卫坦克第3集团军各军开始进攻，负责击退德军装甲部队与步兵部队进行的疯狂反冲击。
苏军第113坦克旅遭到了德军的顽强反攻，该旅位于第15坦克军的左边进攻。他们找到了德军防守的缺口，快速插入。当时，该旅的一个坦克连在古谢沃村旁小树林中俘虏了20辆正在加油的德军坦克。后来，全体坦克兵获得了勋章。
7月19日，近卫坦克第3集团军沿奥列申河突破了德军防线的中间地带，收复了约30个居民点。
7月20日，苏军第3集团军第342师、第233师收复姆岑斯克市。姆岑斯克的德军一部在城南被歼灭。德军空军为掩护部队撤退，向布良斯克方面军进行了密集的轰炸。
7月20日晚前，近卫坦克第3集团军切断了奥廖尔至姆岑斯克的公路，占领奥卡河渡口。7月21日，第3集团军到达奥卡河，近卫坦克第3集团军继续展开扩大登陆场的战役。近卫坦克第3集团军向南冲去，他们通过第63集团军的进攻地带，直抵德军奥普图哈河防线的中间地区。
中央方面军右翼部队向克罗梅发动的进攻也胜利了。
防守奥廖尔的德军集团面临被包围的危险。中央方面军的近卫第11集团军、坦克第4集团军、第61集团军在进攻时粉碎了德军的抵抗，靠近奥廖尔的德军主要交通线。中央方面军从南边强攻交通线。
德军在与西方面军和布良斯克方面军激战时，被迫投入预备队。德军尽全力来阻挡苏军的推进。
德军在另一些地段的情况也变得非常不利。在库尔斯克突出部的正南面，德军南方集团军群在沃罗涅日方面军和草原方面军的打击下被迫撤回原出发阵地。
另外，西南方面军于7月17日在伊久姆-巴尔文科沃方向展开进攻，南方面军沿米乌斯河岸推进。
7月22日，列宁格勒方面军和沃尔霍夫方面军在姆加发动反攻，迫使德军放弃对列宁格勒的夏季攻势。德军在苏联战场由于兵力严重不足而陷入严重危机。
德军的后方情况越来越糟糕。苏联游击队集中破坏德军的铁路交通线。仅奥廖尔州的游击队从7月22日至8月1日就炸毁了近7500根铁轨。在库尔斯克战役中，苏联游击队多次摧毁德军的军列。
苏军在库尔斯克会战的胜利，使得欧洲德占区人民的民族解放斗争持续高涨，德国的统治基础不断出现新的危机。
由于德军兵力严重不足，以及奥廖尔地区部队的危机，希特勒主张放弃奥廖尔的全部地域，向布良斯克以东防线撤退，并在一个月内逐次向纵深撤退100公里。
根据希特勒的计划，缩短战线后可以抽出大批的预备队去支援意大利战场，但苏军的强大攻势打破了希特勒的计划。
7月26日，大本营会议上，中央集团军群司令克鲁格反对希特勒从奥廖尔登陆场抽调几个师赴意大利作战。克鲁格在解释他为什么反对时，描述了整个苏联战场上德军兵力不足的情况。
7月份，希特勒从苏德战场未能调走一个师，反而从西欧又调来一个步兵师。8月份，希特勒从苏联战场把1个坦克师调到西欧。9月份，希特勒从西欧调来9个步兵师、4个预备师。10月份，希特勒又调来3个坦克师、3个步兵师和1个步兵旅。同时，希特勒下令补充苏联战场的兵力损失，7月份补充11.7万人，8月份补充12.3万人。
美英军队在意大利的作战，对苏联战场的战争进程没有起到实质性作用。1943年8月，德军在苏德战场的兵力为229个师。9月初，在意大利的德军兵力，把刚从法国调来的部队计算在内，只有18个师。
7月26日，在希特勒大本营会议上，德军所讨论的是大量驱赶奥廖尔州人撤离和彻底毁灭该州的问题。而德军应彻底执行这些野蛮的政策。德军坦克第2集团军和第9集团军在战斗报告中说，在“破坏工作”中，他们把更多的牲畜运走，把更多的粮食运走，把所有的居民赶走，破坏一切重要设施，比如道路、桥梁，难以运走的机器和农机具一律摧毁。
为了阻止德军的破坏，苏军做出很多努力。西方面军、布良斯克方面军和中央方面军痛歼德军后卫。德军的阻击仍然很顽强，他们一边破坏，一边在有利地形上进行顽抗。许多阵地都被鲜血染红了。德军千方百计地保障主力撤退，然而他们的处境越来越不妙。
7月29日，德军撤离了霍特涅茨和博尔霍夫。
苏军统帅部于7月30日把近卫第1l集团军、第11集团军和坦克第4集团军、近卫第2骑兵军从西方面军转隶给布良斯克方面军，以便集中指挥奥廖尔方向的作战。该决定对粉碎德军奥廖尔集团具有重大意义，还使西方面军司令部能够集中精力准备斯摩棱斯克方向的大反攻。
7月31日，克鲁格在报告中说：“我们原本计划在撤退时更多地歼灭敌人，但已无法完成，目前各部队的战斗力在下降，全都疲惫不堪。”
8月初，双方在铁路枢纽、奥廖尔的接近地上发生了激战。布良斯克方面军进攻奥廖尔的东北地区。中央方面军进攻奥廖尔的南部地区。德军艰难地防守着奥廖尔西面的交通线。德军在廖奥尔州的各部队情况危急，希特勒下令加快撤退速度，同时要把大量财物运出奥廖尔，把居民赶走，彻底毁灭奥廖尔。
在通往奥廖尔的很多道路上，到处都是德军和辎重队伍，经常发生堵塞。在奥廖尔市和奥卡河渡口，聚集了大量的德军。
8月初，苏联最高统帅部要求航空兵不停地轰炸撤退的德军。
苏军空军第15和第16集团军在5天内出动飞机9800多架次。德军撤退的路上经常能看到德军尸体、炸毁的卡车、坦克和其他武器。
苏军的猛攻使德军难以完成破坏奥廖尔市和抢运财物的计划。在该市的近郊，苏军第3集团军在德军阵地上撕开了一个缺口。奥廖尔东北的德军于8月1日晚开始撤退。
苏军第3集团军于当天推进14公里，从西北包围了奥廖尔市。8月2日中午，第3集团军主力赶到涅波洛基河。同时，在奥廖尔市以南，苏军第3集团军左翼第308和第380步兵师继续进攻该市。
8月3日，苏军第308步兵师继续进攻该市。连降暴雨后的泥泞土路和德军布设的近千枚地雷严重阻碍了苏军的攻势。工程兵部队日夜加紧工作，以保障各部队的进攻。他们不断地筑路、架桥、铺设渡口和排雷等。
在第63集团军的进攻下，德军从奥廖尔东南地区撤退。在冲进该市以前，布良斯克方面军政委们号召所有的官兵：“广大指战员们!你们会看到希特勒的灭亡。奥廖尔就要解放……”
在解放奥廖尔市的战斗中，第3集团军和第63集团军配备了大量红旗。在战斗的关键时刻，红旗出现在哪里，官兵就冲向哪里。
在德军第9集团军的前线阵地上，苏军在坦克和飞机的支援下继续发起集团冲锋，苏军不断有新的部队参战。德军在激烈的防御战中守住了阵地。苏军紧紧地追击着撤退的德军坦克第2集团军。
在库尔斯克突出部的正南面，沃罗涅日方面军和草原方面军开始了大反攻。8月3日，苏军一举突破了别尔哥罗德-哈尔科夫方向的德军防线。苏军在哈尔科夫方向不断传来的捷报，鼓舞了正在进攻奥廖尔方向的军队。
在北面、东面和南面，苏军对奥廖尔市的包围圈越来越小。苏军各部队在奥廖尔之战中立下赫赫战功。在该市的接近地，苏军某连连长列别杰夫率领连队进攻，攻下了重要的制高点。该连战士消灭了那里的德军士兵。德军多次发起反冲击，想夺回失去的高地。
在一次反冲击时，列别杰夫和传令兵古谢夫被包围。列别杰夫用机枪狠狠地扫射着德军，击毙了十几个德军，德军被迫撤退。在激战中，列别杰夫两处受伤。当战士们打退德军后，将列别杰夫从战场上背下来。
8月3日晚，布良斯克方面军第3和第63集团军继续进攻该市。苏军第5步兵师、第129步兵师、第380步兵师、近卫第17坦克旅的官兵抢先攻入市区。苏军第283步兵师从西北纵深围攻该市的激战也在进行着。苏军坦克攻入德军防线后不断推进，为步兵部队扫清障碍。
8月4日，奥廖尔市东部爆发了巷战。躲在市中心的德军士兵不停地爆破，炸毁市政建筑和住宅、工厂，并在很多建筑物里布设了地雷。傍晚，苏军击退德军，攻入奥寥尔市区东部，并追击正在渡过奥卡河的德军。该市居民千方百计地帮助苏军渡过奥卡河。