Советские войска готовились к обороне исключительно тщательно. Было создано несколько оборонительных полос на общую глубину 250–300 км – траншеи, мины (плотность минирования значительно превышала ту, что имела место под Москвой и Сталинградом), подвижные заградительные отряды, противотанковые опорные пункты и т. д. Понимая, что немцы будут стремиться атаковать у основания выступа, именно здесь командование сосредоточило основные силы – 13-ю армию Центрального фронта, 6-ю и 7-ю гвардейские армии Воронежского фронта. Полоса каждой из этих армий имела ширину от 32 до 60 км и глубину до 35–40 км. Во втором эшелоне Воронежского фронта за 6-й и 7-й армиями обронялась 69-я армия. У основания Курского выступа в ближайшей оперативной глубине находились 1-я и 2-я танковые армии, предназначенные для нанесения контрударов.
В ночь на 5 июля советские разведчики поймали «языка», который показал, что наступление немцев начнется утром. Информация была доведена до командующего Центральным фронтом Рокоссовского, и он на свой страх и риск решил упредить противника, устроив с утра артподготовку. Мощнейший артобстрел застал готовящегося к атаке противника врасплох. Очевидцы вспоминают, что офицеры и солдаты пребывали в совершенном недоумении. «Кто же наступает, мы или русские?» – спрашивали они друг у друга. Обстрел нанес немецким войскам ощутимые потери, им пришлось отложить начало наступления на два часа.
Атака немцев началась в 5.30 утра. В семь часов Рокоссовский позвонил Верховному главнокомандующему и кратко доложил: «Немцы наконец перешли в наступление». Сталин холодно спросил генерала: «Чему вы, собственно, радуетесь?» – и получил ответ: «Тому, что наши расчеты полностью подтвердились, а значит, исход сражения предрешен».
На Центральном фронте главный удар немцев пришелся в основном по 32-километровой оборонительной полосе 13-й армии. Фашисты предприняли наступление на деревню Ольховатку. В атаку ринулись 500 фашистских танков и штурмовых орудий при поддержке 300 бомбардировщиков. Немцы сумели прорвать лишь главную полосу обороны армии и продвинуться на глубину от 8 до 12 км. На второй оборонительной полосе они были остановлены, чему способствовал контрудар, нанесенный оперативными резервами фронта 6 июля. Особенно ожесточенные бои происходили за деревню Поныри – она несколько раз переходила из рук в руки. Большую поддержку обороняющимся частям советских войск оказывали «катюши». С 9 июля войска гитлеровцев не имели продвижения, а 14 июля были вынуждены прекратить наступление.
На Воронежском фронте немцы основные удары нанесли по 6-й и 7-й гвардейским армиям. Здесь действовали отборные танковые войска, в том числе 2-й танковый корпус СС, входивший в состав 4-й танковой армии. Одна ударная группировка наступала на Курск через Обоянь, другая стремилась обойти Курск с юго-востока через Корочу. Более широкий, чем на севере выступа, фронт наступления немцев (до 140 км) и полуторное превосходство в танках позволили им прорвать оборону советских войск на полосе до 100 км и на обоянском направлении продвинуться до 35 км. Однако 9 июля на третьей полосе обороны наступление это было приостановлено во многом благодаря действиям 1-й танковой армии.
Немало советских воинов стали героями Курской битвы уже на этом этапе. Старшина А. Власов подбил 6 июля в одном бою 9 танков. Знаменитый летчик А. Маресьев, переживший ампутацию обеих ног, в первых же боях над Курским выступом сбил три самолета противника. Летчик-истребитель Горовец в одном воздушном бою сбил девять немецких самолетов – единственный случай в истории боевых действий в мире.
Немцы отчаянно пытались сломать наметившуюся тенденцию к затуханию своего наступления. 11 июля сильная немецкая группировка прорвалась в район железнодорожной станции Прохоровка.
12 июля в 8.30 силы 2-го танкового корпуса немецких войск в составе дивизий СС «Лейбштандарт Адольф Гитлер», «Рейх» и «Мертвая голова», насчитывавших до 500 танков и САУ, включая 42 «тигра», перешли в наступление в направлении Прохоровки. В то же самое время после 15-минутной артподготовки немецкая группировка была атакована основными силами 5-й гвардейской танковой армии Ротмистрова. В первые же минуты сражения, поднимая черные тучи пыли и дыма, навстречу друг другу ринулись две могучие лавины танков. На небольшом пространстве в районе Прохоровки с обеих сторон в бою одновременно участвовало 1200 танков. Так разгорелось крупнейшее в истории войн, невиданное по размаху и ожесточению встречное танковое сражение. Широкое поле под Прохоровкой оказалось тесным для огромной массы сражающихся. Сражение длилось до позднего вечера. На поле боя горели сотни танков и самоходных орудий, стоял страшный шум от скрежета гусениц, грохота снарядов, многие из которых, ударяясь о броню, с визгом летели в сторону.