为了迎接即将来临的大战，从4月份开始，苏军不断地向库尔斯克增兵，昼夜不停地修筑工事。
苏军充分地利用了库尔斯克一带略有起伏的地形，把防御的重点放在了突出部的南北根部，以高地为中心，设置反坦克掩体，在高地的两端修筑坦克和自行火炮掩体。短短的两个月时间，苏军在巨大的库尔斯克突出部挖出了近1万公里的反坦克壕、堑壕和断崖，铺设了大面积的雷场和1200公里的铁丝网。对此，美国作家凯登曾在《虎式坦克在燃烧》一书中写道：
在研究俄国人准备库尔斯克会战时，有一点很明显，德国人对战役的准备一向是有计划、讲效率的，从不忽视任何细节。这一点早就闻名于世。但现在俄国人在战役准备的细节和周密程度上却胜敌一筹……朱可夫在库尔斯克会战中的主要作战意图，是在莫斯科猛烈战斗结束后采取的，是在斯大林格勒会战中所拟定的那些措施的发展。防御开始了，德军在强攻中力量已经消耗殆尽……于是交战进程发生了变化。
1943年5、6月间，朱可夫几乎寸步不离沃罗涅日方面军和中央方面军。他关心作战准备中的每一个微小细节，任何疏忽都休想逃过他的眼睛。朱可夫每天、有时一天几次，给斯大林发去电报，报告拟采取的各种措施。
在朱可夫的亲自过问下，苏军进行了周密的战前训练。特别是针对步兵对坦克的恐惧心理，专门开设了用T—34坦克对步兵进行的“碾压”训练。同时还对炮兵进行了快速变更发射阵地的训练，坦克兵则着重进行从掩体中进行精确射击和遭遇战的训练。
整个库尔斯克地区一片热气腾腾的景象，无数苏联军民投身于这场大战的准备之中，很快把库尔斯克突出部变成了一个坚不可摧的大堡垒。
在战线的另一端，德军也在进行着最后的准备。希特勒原本打算在5月份发起进攻。可是，由于5月的融雪，以及25万轴心国军队在北非的覆灭，使希特勒不得不一再拖延攻击的发起日。而受命指挥“堡垒”战役的德军指挥官曼施坦因和莫德尔越来越感到不安。他们眼见苏军防线日渐坚固，认为德军已错失战机，硬发动进攻肯定会碰个头破血流。希特勒这时也变得信心不足，但他仍对德制的“虎”式和“豹”式坦克抱有幻想。这样，到6月底，当德军已集结起足够的新式坦克后，希特勒终于决定放手一搏。
7月4日，希特勒向突击部队下达了临战动员令，定于次日发起进攻。
而苏军统帅部已于6月确定了前线作战指挥体制。6月30日，朱可夫接到命令要他在奥廖尔方向协调中央方面军、布良斯克方面军和西方面军的行动，以实施击退敌人进攻的向奥廖尔突击的“库图佐夫”战役；华西列夫斯基被派往沃罗涅日方面军，在那里用该方面军和与之毗邻的西南方面军实施“鲁缅采夫”战役计划——在库尔斯克会战防御阶段结束后，向别尔哥罗德、哈尔科夫方向实施突击。
7月4日晚间，朱可夫来到中央集团军司令部，在那里，他从白天抓来一一名德军俘虏口中得知，德军将于次日凌晨发动进攻。凌晨2时，苏第13集团军报告发现德军正在进入阵地。
朱可夫当机立断，决定先发制人，他一面向最高统帅部通报情况，一面决定实施炮火反准备，即在德军炮兵开始进行炮火准备之前的一刻，先敌开火，打乱德军阵脚。
20分钟后，在朱可夫的指挥下，苏军阵地上的所有火炮突然向德军阵地开火，整个库尔斯克地区顿时火光冲天，把夜晚映照得如同白昼一般。
根据战役结束后得知的情况，苏军开火的时间比德军预定的炮火准备时间正好提前了10分钟。正是由于朱可夫的临机决断，苏军才得到了这重要的10分钟，使德军完全丧失了战机。
由于苏军的行动极为突然，德军进攻部队被打了个措手不及，损失惨重，原定开始进攻中央方面军的时间推迟了两个半小时，进攻沃罗涅日方面军的时间则推迟三小时。
5时30分，在苏军炮火打击下刚缓过气来的德第9集团军在奥利霍尔特卡主突击方向上向罗科索夫斯基的中央方面军发起强大的坦克冲击。
德军进攻部队前面是“虎式”重型坦克和“斐迪南”强击火炮群，每群10～15辆，随后是中型坦克群，每群50～100辆，以后是摩托化步兵。
在由北向南的40公里长的战线上，近千辆德军坦克像一群狂奔的野牛，扬起冲天的烟尘，发出震耳欲聋的轰鸣，铺天盖地向苏军压来。
苏军沉着应战，一次次地打退了敌人的进攻。
库尔斯克北端转眼间弹片横飞、横尸遍野。
7月5日全天，德军先后发动5次进攻，但最后只突入苏军防御地带6～8公里。
第二天，德军在莫德尔的指挥下不顾一切损失继续向前冲。可是，罗科索夫斯基这时把作为预备队的坦克第2集团军拉了上来，没等德军往前再走一步，就一棍子砸将上去。
莫德尔只得迎战，一场大规模的坦克决斗爆发了。
在烟尘滚滚的平原上，苏德坦克缠在一起，在炮弹的呼啸声中，一辆辆坦克化为烟柱……
战斗结果是德军装甲兵挫败了苏联坦克的反突击，但自己的炮弹也已用尽，而且陷入了苏军预设的无边无际的雷场。莫德尔自知已无力进攻。这样，德军在库尔斯克突出部北部的进攻，48小时后就告失败，被迫转入防御。
朱可夫把发生的一切都详细报告了斯大林。在报告的结束部分，朱可夫写道：
我们的步兵和炮兵，尽管有一些损失，但打得很出色，有组织地迎战敌人大量坦克的冲击，今后还会继续这样打下去。
德军并不甘心失败，他们重新部署力量，改变突击方向，投入了全部坦克预备队，再次杀向中央方面军。他们有时从波内里发起冲击，有时从奥利霍瓦特卡发起冲击，可是他们到处都碰到了坚固的防御。
尽管德军不顾一切疯狂猛攻，但是在近一周的苦战中，他们只向前推进了6～12公里。由于朱可夫和罗科索夫斯基的高明指挥，中央方面军根本不需要草原预备队的支援，靠自己的力量打退了敌人的进攻。
朱可夫非常满意地向最高统帅汇报了交战的初步总结，并开始着手进行转入进攻战役的准备。7月11日，朱可夫向斯大林报告：
进攻战役的准备工作已全部结束。为了查明敌人的防御前沿的情况，今天已进行了有力的侦察。据所有在这些方向上的集团军和兵团司令们报告，我们的部队已经接近敌人前沿。
在突出部的另一端，德军的运气似乎要比他们的同伴好一点。德军在这一路集中了其所谓“军中之花”、武装党卫军的3个坦克师——“帝国师”、“骷髅师”和“阿道夫·希特勒师”，其新式坦克的数量大大超过北路德军。
南路德军的进攻开始于7月5日6时，在德军发起进攻不久，天降大雨，许多小溪成了坦克无法通过的激流，待工兵架好桥后，已过了12小时。可继续前进后又进入了苏军的雷区，遭到了苏军反坦克火车的沉重打击。但是，由于苏军的反坦克炮无法击穿“虎”式和“豹”式坦克的厚装甲，因此德军尽管处境困难，到夕阳西下时还是在两处楔入了苏军第一道防线。
鉴于德军来势凶猛，为保存力量、避敌锋芒，瓦杜丁下令将部队撤至由坦克第1集团军守卫的第二道防线。
德军第4装甲集团军司令霍特将军见第一天没有什么成果，于是在第二天把6个装甲师聚集成密集队形，每一公里进攻正面都配有100多辆坦克，继续向苏军进攻。
7月6日天刚破晓，德军坦克、自行火炮就蜂拥而出，拖着遮天蔽日的灰尘，杀向苏军。
瓦杜丁见霍特来势汹汹，也毫不示弱，立刻出动坦克第1集团军迎战。
于是，苏德双方在奥博扬附近爆发了又一次大规模坦克会战。一时间，天昏地暗，在几小时内，成百辆的坦克变成一堆堆破铜烂铁。炮弹、炸弹的爆炸和坦克的吼叫使大地呻吟，数百架飞机在空中穿梭不断。坦克的奔驰以及炮弹和炸弹的爆炸掀起满天尘土……
这场坦克会战中，苏军在战术运用方面犯了一些错误。苏军战斗机飞行员只顾着同德军战斗机角逐，却忘了去攻击对坦克威胁极大的轰炸机和攻击机。结果，德军的俯冲轰炸机和对地攻击机，不断地从高空直扑而下，向正忙于与德军坦克厮杀的苏军坦克开炮。而德国的新式坦克的火力和装甲防护也要优于苏联的T—34型和KB型坦克，结果在正面对抗中占了上风。
战斗至正午，瓦杜丁意识到苏军坦克第1集团军的损失大大超过德军，便果断命令退出战斗，依托第二道防线转入防御。
德第4装甲集团军虽然在这次战斗中取得了战术上的胜利，但是并未能突破苏军的整个防线，只是在苏军的防线上砸进去一个坑，楔入不及10公里。
德军最高统帅部经过这两天的激烈战斗感到情况不对，开始给自己找台阶。德国电台报道说，发动进攻的不是德军而是苏军，声称：“苏军指挥部接连不断地把战斗部队投入战斗，但是在所有的地段上，我军防御的主要阵地均牢牢掌握在我军手里，在正面的任何一个地段，我军都没有把像样的装甲兵投入战斗。”
找台阶归找台阶，希特勒并不想就此了事，原先反对发动“堡垒”战役的曼施坦因也不愿草草收场，7月7日，霍特的第4装甲集团军又运用与前一天相同的战术，在空军的密切支援下，连续猛敲昨天在苏军防线上砸出的那个坑。经过3天的苦战，终于在9日切入苏军防线35公里，到达奥博扬。
