7月13日，希特勒紧急召回克鲁格和曼施泰因开会。他首先宣布英美联军已于7月10日在西西里岛登陆，意大利的局势恶化。希特勒认为德军必须要抽调兵力到意大利和巴尔干半岛，因此“堡垒”作战计划可能被迫停止。中央集团军群司令克鲁格也支持停止该作战，因为苏军已经开始攻进奥廖尔突出部，突出部有将近60万德军，包括49万战斗部队。如果不及早将德军撤出该地区，极可能会重演斯大林格勒的悲剧。曼施泰因则认为德军已经到了胜利的边缘，就这样放弃苦战的成果未免太可惜了，他表示至少要把苏军的预备队全部击溃才罢手。最后希特勒还是根据地中海和中央集团军群的情况，决定停止“堡垒”作战计划。作为妥协，他同意让曼施泰因的南方中央集团军群继续攻击库尔斯克的苏军，直到击溃苏军装甲预备队为止。
在北面奥廖尔方向，苏军于7月12日就开始转入反攻。首先打响的是由苏军西方面军所属近卫第十一坦克集团军和布良斯克方面军参加的“库图佐夫”进攻战役。苏军投入的兵力达到128万人、2万门火炮以及2400辆坦克、2000架飞机。苏军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。尽管德军的防御是纵深梯次配置的，工事十分完备，抵抗也很顽强，苏军还是突破了敌人的防御并开始向奥廖尔总方向上推进。
德军在奥廖尔地域陷入慌乱，开始由中央方面军当面的德军集团抽调部队来对付布良斯克方面军和西方面军所属的近卫第十一集团军。苏军中央方面军毫不延迟地利用了这一有利形势，于7月15日转入反攻。于是，在奥廖尔地域，希特勒经过长期准备的总攻就这样彻底垮台了。德军尝到了惨重失败的苦头，尝到了前苏联猛烈压向仇敌的武器的全部威力。希特勒制造的“夏季德军的进攻往往取胜，苏军则只能退却”的神话也不攻自破了。7月16日，德军完全停止了冲击，并开始向别尔哥罗德撤退后勤部队。
7月18日，朱可夫和华西列夫斯基来到第六十九集团军、近卫第五集团军和近卫坦克第五集团部队交战的地段上。他们亲自观察了“共青团员”国营农场和伊万诺夫新村地域的激烈战斗。在该处作战的是坦克第二十九和第十九军。德军在这里进行了猛烈的火力抵抗，甚至还转入反冲击。近卫第五集团军和近卫坦克第五集团军总共才把敌人击退4～5公里。近卫第六集团军只占领了上佩尼耶地域的一个高地，该集团军的部队过度疲劳了，从7月4日起，他们就没有睡觉、没有休息地一直战斗着。需要增补兵力，才能打乱德军部队有计划的撤退。为此，不得不把第五十三集团军部分部队和坦克第十八、第十九军的部队投入交战。
苏军最高统帅部、总参谋部及沃罗涅什方面军首长根据对情况的分析判断，认为敌人不只是对一个近卫第六集团军，而是对近卫第六和第七两个集团军实施主要突击。关于防御地带的宽度，预料将遭到德军主要突击的近卫第六和第七集团军的防御正面为114公里，而方面军的其他两个集团军的防御正面为130公里。关于炮兵和坦克的平均密度，实际上在第三十八和第四十集团军的地段上，炮兵密度不大，至于坦克则只有少数几辆。而与此同时，在近卫军第六和第七集团军地带内，几乎集中了前苏联最高统帅部预备队的全部炮兵部队和兵团、方面军的全部坦克部队和兵团以及全部方面军预备队。
库尔斯克会战的第一阶段（防御交战），苏军中央方面军部队是7月12日结束的，沃罗涅什方面军部队是在7月23日结束的。结束防御行动的时间不同是由于战役的规模和遭受损失程度的不同而决定的。由于布良斯克方面军和西方方面军7月12日对敌奥廖尔集团转入进攻并迫使敌人迅速从与苏军中央方面军对峙的部队中撤走7个师，从而给了中央方面军很大的帮助。
库尔斯克会战的第二阶段（反攻）也不是同时开始的。例如，在别尔哥罗德地域，反攻是在8月3日发起的，比中央、布良斯克和西方面军的反攻迟了20天。这三个方面军的部队完成反攻准备所需时间较少，因而反攻计划和反攻的全面保障，早在防御交战过程中就已准备就绪。而在别尔哥罗德地域，沃罗涅什方面军，特别是草原方面军完成反攻准备所需时间较多。草原方面军部队当时还是战略预备队，因而还不可能了解具体任务、反攻出发地域及将要与之作战的敌军情况。其反攻任务是后来才赋予的。沃罗涅什方面军部队转入反攻时的条件要比奥廖尔地域更复杂些。该方面军部队在防御交战阶段，其人员、技术兵器和物资器材都受到很大损失。退往预先构筑好的防御地区的敌人，及时占领了防御地区并作好了抗击苏军进攻的准备。侦察查明，德军为了加强其别尔哥罗德—哈尔科夫集团，已由其他方向仓促调来坦克和摩托化师。所有这一切说明，这里的交战将更为艰苦、更为激烈。转入反攻必须等两个方面军都完成了充分准备后才有可能进行，而这是需要很多时间的。
8月3日晨，苏军沃罗涅什方面军和草原方面军在别尔哥罗德地域发起反攻。沃罗涅什方面军实施了异常猛烈的炮兵和航空兵火力突击，致使已转入进攻的、加强有大量坦克的近卫军第五和第六集团军部队迅速突破了敌人的主要防御地带。当日下午，坦克第一和近卫坦克第五集团军进入突破口，日落前其先遣兵团推进了30～50公里，从而摧毁了该地段上的敌整个战术防御。草原方面军没有像沃罗涅什方面军那样拥有如此强有力的突破兵器，进攻发展稍慢一些，日落前其先遣部队推进了15公里。草原方面军各集团军所遇到的是敌人更加坚固和纵深更大的防御。
8月4日，敌人抵抗增强，致使草原方面军的进攻速度极为缓慢。尽管如此，苏军最高统帅部并不十分着急，因为沃罗涅什方面军的突击集群已挫败敌别尔哥罗德的翼侧，正顺利向前推进。德军感到在这里有被合围的危险，于8月4日日落前开始撤退其部队，从而使草原方面军推进速度加快。
8月5日晨6时，近卫步兵第八十九师所属近卫步兵第二七○团以及步兵第三○五和三七五师的部队，最先突入了别尔哥罗德。草原方面军各部队肃清别尔哥罗德市残敌后，协同沃罗涅什方面军部队迅速向前推进。8月5日傍晚，为了庆祝布良斯克、中央和西方面军占领奥廖尔，草原和沃罗涅什方面军占领别尔哥罗德，前苏联首都莫斯科鸣放了礼炮。这是前苏联卫国战争中前苏联首次为祝贺苏军的战功而鸣放的礼炮。战士们斗志更加昂扬。
8月7日，苏军沃罗涅什方面军坦克第一集团军和近卫第六集团军的先遣部队，占领了博戈杜霍夫。德军严密的防御正面已不复存在。德军第四集团军已脱离“战斗集群”很远，它已无力堵塞所造成的缺口。由格赖沃龙向西退却的德军集群遭苏空军第二集团军大群飞机攻击继而被苏军第二十七集团军粉碎后，德第四集团军的处境更趋恶化。
8月11日，苏军坦克第一集团军部队跨过了哈尔科夫—波尔塔瓦铁路。德军“南方”集团军为了援救即将覆灭的第四集团军而仓促搜集了其最后的全部预备队并将其投入阿赫特尔卡地域。德军害怕其哈尔科夫集团陷入合围，拼凑了由“骷髅”、“维金”和“帝国”坦克师组成的一支部队，于8月11日对苏军坦克第一集团军和近卫第六集团军部队实施反突击。已被削弱的苏军坦克第一集团军和近卫第六集团军未能经受住敌人的突击，开始向较有利地区撤退。这时，正好苏军坦克第五集团军迅速赶来支援。激烈交战持续数日，经共同努力，到8月16日，苏军终于阻止了德军的前进。
8月18日，德军由阿赫特尔卡地域实施反突击。为了歼灭这股敌人，由前苏联最高统帅部预备队中增派库利克将军指挥的近卫第四集团军投入交战，可惜他因不称职不久即被解职。草原方面军各集团军逼近了哈尔科夫，在城郊展开了交战。8月22日，苏军在哈尔科夫地域的进攻愈益加强。德军为避免其部队陷入合围，开始从哈尔科夫撤退。23日晨，德军撤走了其最后的后卫部队。苏军草原方面军部队进入哈尔科夫市，受到了居民的热烈欢迎。在哈尔科夫举行了盛大的群众大会，群情振奋，载歌载舞。前苏联首都莫斯科为解放乌克兰这一大城市的英勇苏军士兵鸣放了礼炮。至此，前苏联卫国战争中持续50天之久，最大的一次坦克大会战以苏军8月23日占领哈尔科夫市而告终。
库尔斯克会战粉碎了希特勒在军事和政治上均寄以厚望的德军主要集团，给德军造成了无可挽回的损失，伟大的战略转折基本完成。苏军累计击溃德军30个精锐师（其中7个坦克师），这些师伤亡率均在50％以上。德军总计损失50余万人、约1500辆坦克（含大量“虎”式和“豹”式坦克）、3000门火炮和3700余架飞机。这些惨重的损失，使德军在苏德战场上完全转入了战略防御。尽管德军一度击溃4倍于己的苏军，苏军损失也很惨重，但苏德战场的主动权还是完全转移到了苏军手中。对此，前西德历史学家格利茨评价说：“库尔斯克大会战对于德军是致命危机的开端。”
