苏联红军进攻
奥廖尔战斗
苏联红军的进攻率先在库尔斯克北部发起，当德军的攻势在阻止后，苏联红军决定发动进攻，并以打败拿破仑入侵的俄国元帅“库图佐夫”的名字作为此次战役的代号。苏联红军向奥廖尔突出部的德军阵地实施了长达两个多小时的炮击，随后索科罗夫斯基上将的西方方面军和波波夫上将布良斯克方面军的一线部队开始进攻。德军则进行着顽强的抵抗，给苏联红军造成重大伤亡。科索夫斯基大将指挥苏中央方面军的第70、第13和第48集团军也加入攻击。
此时苏联空军也完全控制了制空权，法国“诺曼底”航空大队也在库尔斯克上空与苏联空军并肩作战。面对坦克和兵力都占优势的苏联红军，莫德尔无力阻止其进攻，他意识到失去奥廖尔只是时间问题。莫德尔向希特勒请求放弃奥廖尔将德军后撤至“哈根”防线，但被希特勒否决。到墨索里尼下台，意大利退出战争的迹象已经十分明显，希特勒需要从欧洲东线抽调兵力去意大利，而奥廖尔突出部的德军也面临被苏联红军合围的危险。在莫德尔和克鲁格再一次请求后撤后，希特勒最终同意弃守奥廖尔，并调第2党卫装甲军去稳定意大利的局势。德军向布良斯克方向的“哈根”防线撤退，撤退途中，德军实行了残酷的焦土政策。苏联红军攻克了奥廖尔，并继续追击退却中的德军，解放了霍特涅茨，进入卡拉切夫，苏联红军的进攻基本结束，战线逐步稳定了下来。
在奥廖尔战役中，苏联红军歼敌近9万人，坦克500辆，火炮2402门，并向西推进了150公里，拉平了库尔斯克防线，但却未能完成战前制定的合围并歼灭德中央集团军群的计划，苏联红军的损失也是巨大的，伤亡429，890人，损失坦克2586辆，火炮892门，飞机1，104架。
哈尔科夫战役
在南线，当德军和苏联红军脱离接触时，斯大林便要求苏联红军立刻发动反攻，但朱可夫认为经过连续的艰苦战斗后，在发动攻势前，苏联红军应进行必要的补充和修整，这样苏联红军把进攻的日期最终确定，这次作战的代号以七年战争中俄国名将“鲁缅采夫”的名字命名。担当此次进攻任务的是沃罗涅日方面军和草原方面军，总兵力为90万人和2，800多辆坦克和自行火炮。
苏联红军近万门大炮齐鸣，大量炮弹倾卸到德军阵地上，炮击持续了两多小时，最后以一阵喀秋莎火箭炮的齐射作为结束，随后坦克和步兵开始发起攻击。在炮击中幸存的德兵无力阻挡苏联红军的前进，苏联红军很快就突破了德军第一道防线，经过一天的战斗，苏联红军各突击集团平均向德军纵深推进了10～15公里。 在随后几天的战斗中，德军的防守异常地顽强，苏联红军的坦克虽然继续向前突破，但步兵却被德军缠住，进展缓慢。苏第1坦克集团军攻占鲍里索夫卡切断了托马罗夫卡德第255、第332步兵师和第19装甲师的退路，但他们仅以两千人代价突围，虽然师长殉职。他们的顽强抵抗和胜利突围为曼斯坦因将德军主力从别尔哥罗德撤往哈尔科夫赢得了时间。苏联红军收复别尔哥罗德，占领德军后方的后勤供应基地博戈杜霍夫，缴获大量德军物资和燃料。
由于苏联红军坦克队前进很快，而步兵忙于清除被包围的德军，苏联红军的坦克部队和步兵已开始脱节了。曼斯坦因希望抓住苏联红军这个弱点，他开始有计划的撤退以赢得时间来集结兵力，等苏联红军进攻能量逐渐消耗后，实施反击。此时瓦图京对形势十分乐观，他认为德军已到了崩溃的边缘，他命令前线坦克部队继续进攻，切断哈尔科夫至波尔塔瓦的铁路线，阻止德军逃脱。
德军已经集结完毕，并补充了充足的弹药和燃料，曼斯坦因开始反攻，而此时苏联红军的坦克部队仍处于追击状态，各部队之间分散很广，而步兵和炮兵仍在后方，且经过多日激战，弹药和燃料都已严重不足，更重要的是苏联红军对德军的进攻未有察觉。苏联红军正在重犯5个月前在哈尔科夫战役的错误。苏第1坦克集团军的第49坦克旅和第17坦克团被德军围歼，由于苏第5近卫坦克集团军的及时赶到，避免了第1坦克集团军的全军覆灭。在德军的进攻下，苏联红军被迫后退，随后苏第六近卫集团军的第六坦克军被德军包围遭到全歼。
双方都遭受了巨大损失，德军的反击虽然给苏联红军以重创，但曼斯坦因却没有力量进一步扩大战果，而苏联红军数量上的优势再次起到了决定性的作用，他们很快又恢复了进攻。其后德军的反攻再也没能给苏联红军造成威胁。苏联红军攻抵哈尔科夫西面的乌德河北岸，并于强渡乌德河，在南岸建立了桥头堡。攻打哈尔科夫的战斗异常激烈，强大的苏第5近卫坦克集团军最后只剩下了50辆坦克。苏第53集团军率先攻入城内，德军开始全面撤出哈尔科夫，退向第聂伯河的防线，沿途他们破坏了所有公路、铁路和桥梁，污染了水源、焚烧一切农作物，毁坏了建筑物。苏联红军收复哈尔科夫。
别尔哥罗德—哈尔科夫战役中，苏联红军歼敌约30万人，自身损失也达255，566人，坦克1864辆，火炮423门，飞机153架。
