但是，7月初一架被击落的德军侦察机上发现了一张精确描绘的苏军防线地图——形式突然变得紧张起来。苏军不得不采取紧急行动调整防御部署，加强地面伪装工作。
在7月2日，毛熊最高统帅部第三次发出预警，告知各方面军司令员德军预计在7月3日至6日间发起进攻。苏军全线进入最高戒备，各级指挥官进入指挥部，防御部队及装备进入预定位置。
等待逐渐变成了一种折磨……
7月4日晚，在北线中央方面军第13和48集团军防区抓到了一名清理地雷的德军工兵，经审讯后透露进攻时间为7月5日凌晨3点，的均已全部进入出发阵地。但是这个时间已经迫在眉睫了。
苏军各方面军立刻进入一级战备状态，此时距离凌晨3点还剩1个多小时。
此时，是否对德军进攻做出先一步的打击是一个问题，因为如对德军进行炮火反准备将消耗大量的弹药，并且已经没时间请示最高统帅部了。
中央方面军司令罗科索夫斯基请示同在前线的大本营代表朱可夫元帅，朱可夫授权罗科索夫斯基自行决定。
罗科索夫斯基拿到授权后立刻电令方面军炮兵司令全线开火，瓦杜丁的沃罗涅日方面军也同步对德军进行炮火打击。
7月5日2点20分，苏军火炮开始怒吼着发起进攻，火光将阵地照得亮如白昼。
苏军的攻击目标是主要进攻路线上的道路、桥梁和可能的部队集结点，并对发现的指挥部进行了炮击。
苏军击中不少目标，很大程度上给德军进攻带来了麻烦，迫使北线进攻延迟了2.5小时，南线进攻延迟了3小时。
在德军重新准备后，空中又充满了德军反击炮火的呼啸声，德军试图借助强大的火力突破苏军防线。
在一个多小时炮火准备后，炮声慢慢沉寂下来，德军开始行动，装甲部队、空军部队、步兵部队，所有在库尔斯克地区集结了数月的兵力开始行动，打响了战争史上最大规模的坦克大战。
7月5日5时30分，德军出动300架次轰炸机对中央方面军第13集团军进行了密集轰炸。
在空中压制后，德军第9集团军在40公里宽的正面上发起了冲击。第一波攻击就投入了3个装甲师和4个步兵师，拥有近500辆坦克和自行火炮。
德军首先面对的挑战是苏军布设的密集雷区。
德军将所有最先进的设备都投入战场，不仅通过B1遥控小坦克推动排雷滚筒扫雷，还有可以通过自爆清除附近整片地雷的“歌利亚”遥控排雷车，大大减轻了工兵的作业压力。
德军同时派遣10-15辆虎式坦克和斐迪南自行火炮，由30-50辆四号坦克保护着冲向苏军阵地，后方是成千上万由炮兵、装甲车、卡车组成的混合突击编队。
苏军直到德军坦克距离阵地只有500米时才突然开火，猛烈的火力摧毁了大量德军车辆，很快击退了德军的第一次进攻。
随后，德军的第二次进攻重点转向了奥利霍瓦特卡村但遭受了苏军两个师同样顽强的抵抗，进攻接连被打退。
7月5日黄昏，德军发起了第五次进攻，投入了斐迪南自行火炮进行支援。
凭借新式武器的巨大威力，德军勉强突破了苏军的第一道防线。但是经过一天的激战，有半数的斐迪南自行火炮因被摧毁或履带底盘受损而无法继续作战。
7月6日，德军企图趁势向纵深推进，但苏军的抵抗也更加顽强，寸土必争。
德军装甲师也在进攻中遭到苏军埋伏后被重创，进攻彻底瓦解。经过两天的战斗，德军仅前进9-12公里，抵达苏军的第二条防线，也付出了人伤亡，损失坦克200辆的惨重代价。
7月6日-7日，苏军3个军（包含2个装甲军）向突入阵线的德军发起反击。
苏军部队冒着瓢泼大雨发起冲击，但是在德军的猛烈火力下损失惨重，不少坦克被摧毁，冒着滚滚浓烟，被迫撤回防御阵地，继续采取防御态势。
7月7日，德军在无法突破奥利霍瓦特卡村防线后，进攻转向另一个重点地区——波内里火车站。
德军将剩余的斐迪南自行火炮和灰熊火炮组成了“卡尔”兵团，绕过头两天的战场迂回前进。
但是，苏军在波内里火车站的防御也很完善，并投入了集团军预备队。
双方在并不大的战场上杀红了眼，德军坦克疯狂冲击苏军防线，苏军火炮全力回击，战场上硝烟弥漫、炮声震天，烟雾弥漫遮挡了天空。
四处火光冲天，甚至炮管上的涂漆也因为过热而燃烧。
直到7日下午，德军才突破此处的苏军第一道防线。
7月8日-9日，德军将预备队全部投入一线作战，包括剩下的所有斐迪南自行火炮。
在经过十余次的来回冲杀后，德军几辆坦克终于突破苏军的雷场和层层防御到达波内里火车站停车场。
但是经过几天激战后，德军进攻部队已精疲力竭，再也无法前进一步，德军进攻被完全遏制。
苏军中央方面军已完成拖垮德军第9集团军的任务，是时候准备发起反击了。前线代表朱可夫在与斯大林通话中提出了反攻时间——7月12日。
7月11日起，德军就地转入防御，一周的进攻以只推进10-12公里，仅仅突破了苏军的第一道防线告终。但德军的损失却是巨大的，伤亡约人，损失约800辆坦克和自行火炮。
在库尔斯克突出部南线，进攻的德军第4装甲集团军遭遇苏军猛烈反击，影响了排雷进度，德军装甲部队无法全力投入进攻。
苏军挖掘的反坦克战壕和各型反坦克给德军带来了不少麻烦，再加上时不时有隐蔽的反坦克炮或雷区骚扰，德军装甲部队几乎陷入了苏军布设的迷宫之中。
7月5日早晨，在经过调整后，德军凭借丰富的经验和先进的装备开始占据上风。
德军在第一波攻击就投入了两个装甲军（第3和第48坦克军）和党卫军第2装甲军，共8个装甲师、1个摩托化师和5个步兵师。
进攻的德军部队将装甲锋线集中至狭小地域发起进攻，在装甲前锋突破苏军防线后再由后续的步兵扩大突破口。
同时，德军调遣了大量的空中力量支援前线，猛烈的空袭压制了苏军反坦克据点的防守，并协助地面部队在雷区开辟安全走廊。
这一举措需要大量的人力物力，但是德军毫不吝啬。在第一天战斗后，德军突破了苏军近卫第6集团军把守的的第一道防线。
7月7日，德军装甲部队突破苏军第二道防线。
苏军组织优势兵力先后发起三次反击以恢复战线，但均以失利告终——卡图科夫的第一坦克集团军和克拉夫琴科的“斯大林格勒”近卫坦克军都遭受到了巨大的损失，被迫就地隐蔽，进行防御作战。
7月9日，开战第五天时，南线发起进攻的德军部队的200辆豹式坦克几乎损失殆尽，只剩16辆可投入作战。
但是德军依靠过硬的技能和丰富的经验继续前进，从多的地点发动进攻，逐渐逼近沃罗涅日方面军的第三道防线。
7月10日，德军已突破苏军纵深30-40公里，攻到南线重镇奥博扬附近，随时可能突破防线进攻库尔斯克城，苏军立刻调动方面军预备队到第三道防线加强防御。
7月11日，德军的3个坦克军继续进攻奥博扬附近以及交通要地普罗霍夫卡的南面。此地至关重要，如果被德军占领，从后方来的苏军部队支援前线的道路将被阻断，可能会造成前线的崩溃。
但是以现有兵力阻挡锋芒正锐的德军显然比较困难，沃罗涅日方面军司令瓦杜丁立刻报告大本营请求增援，大本营代表朱可夫同草原方面军司令员科涅夫通电话后，科涅夫随即派出罗特米斯特洛夫的近卫第5坦克集团军火速增援，大军顶着七月的烈日与热浪向沃罗涅日方向前进。
第5坦克集团军计划支援普罗霍夫卡附近的防御作战，但在11日晚，该地已部分被德军党卫军装甲军控制，且仍有部队前往加强。一场坦克大战在所难免。
7月12日，苏军成功躲过德军侦察逼近普罗霍夫卡。直到太阳升起时，德军侦察机才发现近在咫尺的苏军增援部队，立刻发出信号弹示警。
7月12日9点左右，空中响起阵阵爆炸声，苏军增援部队抵达战场并投入作战。苏军第5坦克集团军拥有4个坦克军和1个步兵军，共计850辆坦克和自行火炮；德军党卫军第2坦克军有3个装甲师，约200辆坦克和自行火炮。
苏军进攻路线上有山丘阻挡，发起进攻的坦克需要排成纵队前进，无法充分发挥数量优势。但是苏军装甲兵毫不畏惧，向德军阵地冲击。
德军的虎式坦克和反坦克火力借助较远的射程给苏军造成了极大损失，交叉的火力网摧毁了第一批的大多数坦克。
等1小时后苏军两个装甲旅增援到达后，第一波攻击部队已遭受重创，然仍然完成了冲击德军防御阵形的任务。
后续部队继续与德军展开交战，彼此轰击、冲撞、碾压，普罗霍夫卡地区南面的平原上到处都是坦克和装甲车辆的残骸，有的坦克炮塔被殉爆的弹药掀飞数十米高，有的坦克被直接炸成碎片……坦克车组成员也在车辆损毁后加入战场上的白刃战。
在普罗霍夫卡坦克大战中，苏军在技术装备上占有绝对数量优势，近卫第5装甲集团军对党卫军第2装甲军（主要为第1装甲师）进行战斗。
但是德军在多年的战斗中历练成长，技战术水平和经验明显优于苏联坦克车组，可以说是二战中各国之最。
另外，德军坦克在火力、通讯、火控上几乎有压倒性优势，苏军在这几项指标上丝毫没占到便宜。
坦克大战一直从早晨到黄昏，双方都蒙受了重大的损失。
相比之下，德军由于防护好、射速快、素质高，损失较毛熊来说少。
傍晚时分，苏军第5装甲集团军几乎损失半数坦克，约400辆的损失；德军保住了阵地，但是装备和兵力也损失巨大，约70辆坦克被摧毁，再也无力向前进攻，“堡垒”计划已然失败……当日晚些时候，德军被迫撤出普罗霍夫卡地区。
7月14日傍晚，德军的进攻被彻底挫败，此时南北两个集团军群之间还有100多公里。
时间回到几天前，7月10日英美盟军于意大利西西里岛登陆，为应对双线作战的任务，希大爷在13日召开会议调遣东线兵力前往意大利迎敌。
几天后，第4装甲集团军的党卫军第2装甲军前往意大利，肯普夫集群的第3装甲军前往顿巴斯加强防御。
7月16日，德军在后卫部队的掩护下退回出发阵地，“堡垒”计划已不抱希望。
7月18日，毛熊最高统帅部指示草原方面军也投入了战斗，南方集团军群的正面压力急剧上升。
7月23日，沃罗涅什方面军和草原方面军开始追击撤退的德军，收复至5日开战前的阵地。“堡垒”计划彻底破产。
库尔斯克战役的防御阶段结束后，苏军以充分准备的防御拖垮了德军，严重的损失迫使德军统帅部动用了大批的预备队，以至德军整个库尔斯克地区已无兵可调。
而苏军的五个方面军只有中央方面军、沃罗涅日方面军参加了第一阶段的激战，西方方面军，布良斯克方面军，草原方面军的大部已整装待发，5个方面军共31个集团军正对德军虎视眈眈。
现在，德军已然是强弩之末，苏军在强大的兵力、空军、装甲部队的支持下，拉开了反攻的大幕，准备给德军毁灭性的打击。
7月12日，西方面军左翼部队和布良斯克方面军在空军第1集团军和第15集团军航空兵分别支援下，对防御奥廖尔地区的德军中央集团军群（部署有约30个师）发起突然袭击，随后中央方面军也发起反击，行动代号“库图佐夫”。
这次攻击从奥廖尔北部发起，直取德军中央集团军背部，准备全歼奥廖尔地区的德军集团。
在强大的炮火准备与空军掩护下，苏军长驱直入、所向披靡，迅速突破德军一线防御。
德军第9集团军司令莫德尔下令库尔斯克地区德军转入全线防御，所有空军调回支援防御作战，并派遣4个师火速驰援，全力守住第二道防线。
毛熊最高统帅部立刻投入预备队，但预备队在发起进攻后一周才到达并投入作战，此时德军的防御已变得十分稳固。
此时苏军进攻部队达到160余万人，面对德军完备的防御体系，采取全面进攻和重点突破结合的方式，在关键地域投入压倒性的兵力和技术装备，压倒德军反抗。
担任奥廖尔北部主攻的是苏军近卫第11集团军，在强势撕开德军防线后，向西南德军后方奔袭。7月21日，向西前进了50公里解放博尔霍夫。
此时德军形势已十分紧急，存在被苏军全歼的风险。
但是因苏军宏观层面的指挥失误，德军趁机撤离原阵地保留了相当的力量。
8月5日，苏军一路追击，解放了奥廖尔。
8月18日，苏军前出到德军在布良斯克东部的防御阵地。
在遏制了德军南方集团军群进攻后，苏军沃罗涅日方面军花了三个星期才掌握了优势。
8月3日，苏军沃罗涅夫日方面军、草原方面军和西南方面军一部在别尔哥罗德西北地域发起反击——德军部署的三十个师的重兵集团已被百余万苏军盯住了。在空军和远程炮兵支援下，苏军突击兵团以破竹之势压垮了德军防御。
8月5日，进攻发起三天后苏军解放了别尔哥罗德。当天，莫斯科响起了礼炮，这是战争爆发以来第一次礼炮齐鸣，是向奥廖尔和贝尔格罗德的解放者致敬，124门礼炮鸣12响表达敬意。
8月11日，苏军切断了哈尔科夫-波尔塔瓦铁路，从西面逼近了哈尔科夫，同时草原方面军也从北面和东南面进行包围。此时，城内德军还有8个步兵师和2个装甲师以及零星部队。
8月11日至20日，德军在支援中央集团军群的装甲师返回后，在博戈杜霍夫和阿赫台尔卡地域实施了两次反击，企图阻止苏军前进。苏军在短暂的混乱后击退德军反击，德军因消耗过大彻底失去力量。
8月22日下午，毛熊空军发现德军开始撤离哈尔科夫。为了留住逃跑的德军，就当天夜里，草原方面军向哈尔科夫发动了进攻。
8月23日，苏军攻占了哈尔科夫。夜晚，为庆祝库尔斯克战役的全面胜利，莫斯科224门大炮鸣礼炮20响向哈尔科夫的解放者致敬。
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