央方面军和沃罗涅日方面军将承受敌军的主要突击。作为预备队和反击部队，最高统帅部建立了由H·C·科涅夫上将领导的预备队方面军（后改称草原方面军），其编成内有几个多兵种合成集团军和一些坦克与机械化兵团。这些部队即将参战的地区的地形，是开阔的大草原，沟壑溪谷不多，非常适宜使用大量坦克。
五个坦克集团率、若干个坦克和机械化军以及一些步兵军和步兵师，编入最高统帅部预备队和各方面军的第二梯队中。这些机动兵团不仅可以迅速调去堵住战线上可能出现的任何缺口。而且是一支可以在适当时机投入战斗的庞大的反攻力量。
最高统帅部指定西方方面军和勃良斯克方面军负责制订向奥廖尔一带德军发动进攻战役的计划，但战役的实施要等到德军最初的攻势被遏止以后。
自战争开始以来，苏军实施防御的部队中，炮兵团的数目首次超过步兵团的数目，其比例是1．5比1。在最可能遭到敌人突击的方向上，火炮的配置也最密集。例如，在受威胁最大的地段——奥廖尔至库尔斯克的铁路线担任掩护的中央方面军第13集团军，其每英里正面上得到大约一百四十八门火炮和迫击炮的支援，远远超过德军为发动进攻所能拼凑的数目。
在实施防御准备期间，中央方面军和沃罗涅日方面军又获得了九千多门火炮和迫击炮。从最高统帅部预备队中总共拨出九十二个炮兵团来加强这两个方面军。配置了大千多门防坦克炮，在比较重要的方向上共敷设地雷和炸药包约达四十万个。
斯大林命令朱可夫留在库尔斯克，负责协调中央、勃良斯克和西方三个方面军的行动，而华西列夫斯基则负责指导沃罗涅日方面军。
7月4日下午3时，经过短时间的炮兵射击和空中轰炸之后，库尔斯克会战爆发了。据冯·梅伦廷将军记载，当天傍晚，德军掷弹兵和步兵在突击炮兵和工兵的支援下，突破到红串防御的前沿。梅伦廷写道：
在进攻的第二天，我们遭到第一次挫折，尽管我们作了种种努力，部队过是无法突破俄军的防线。“大德意志”师（一个很强的师，拥有约一百八十辆坦克），编成密集队形进行冲击，它的正前方就是沼泽，因而遭到俄国炮兵的猛烈轰击一工兵未能准备好适当的渡口，许多坦克成了红军航空兵的牺牲品——在战斗中，尽管德国空军占优势。但俄国飞机作战英勇顽强。甚至在德军第一天攻占的地域内，俄国人不知从哪儿突一然昏出来，因而“大德意志”师的侦察部队不得不去对付他们。7月5日夜间到7月6日底起未能渡过溪流和沼泽。
在左翼，坦克第3师对萨维多夫卡的进攻，就象“大德意志”师对阿列克谢耶夫卡和卢恰尼诺的进攻一样，未能获得成功。整个地区到处都是地雷，而且拥军在整个防线上的防御，都得到配置在居高临下有利位置的坦克的支持。
我们的突击部队遭受重大伤亡，坦克第3师不得不打退一系列反击。尽管德国空军对俄军炮兵阵地进行了若于次大规模轰炸，但俄军的防御火力丝毫没有减弱。
整个库尔斯克地区的战斗打得很艰苦，而且一直没有间断过。经过一周激战之后，德国人得出结论。俄军的预备队是打不完的。到7月14日，比较精明的德国领导人，其中包括梅伦廷，都认识到，“德军进攻的时间表已经完全被打乱”。所以出现这种情况，原因很多。海伦廷写道：
进攻伊始，突破在很大纵深内布满地雷的俄军前沿防线，已经证明比我们原先预料的要困难得多。俄军发动的凌厉反击，并把大量的兵力兵器无情地投入这种反击，也是一件出乎意料的令人不快的事情。德军的伤亡是不轻的，而我们的坦克的损失则是令人哀悼的“豹式”坦克（一种新型坦克）未能象预料的那样发持作风这种坦克容易被击中着火，因为滑油和燃油供油系统没有充分的防护，坦克乘员的训练也不足。参加战斗的八十辆“豹式”坦克，到7月14日为止已所剩无几了。
7月13日，战斗正处于高潮时；希特勒召见南方集团军群司令官和中央集团军群的司令官，告诉他们说，盟军已于当天在西西里岛登陆，而且意大利人打得很糟。由于盟军可能在别的地方——巴尔千各国和下意大利登陆，情况变得更加严重了。因此，必须中止“堡垒”战役。
但是，谈何容易！事情毕竟正如梅伦廷所说的那样，“我们现在的处境，就象一个人揪住了一只狼的两只耳朵，怎么敢撒手放开它！”
军事史学家们一般都没有论述希特勒的这一决定立即造成的影响。曼施泰因也没有重视这一问题。他只讲了一句简洁的话：“在取消‘堡垒’战役的时候，东部战场的主动权终于转入俄国人手中。”
人们或许会认为，到希特勒下令取消这一战役的时候，德军的一些师的命运已经注定了。德军统帅部犯了一个特大错误，就是给了苏军时间，使它在4、5、6三个月重新部署和加强了他们的兵力。
在普罗霍罗夫卡周围的一次异常激烈的战斗中，德军装甲车辆和人员损失极其惨重。据苏方的记载，仅在