在朱可夫的親自過問下，蘇軍進行了周密的戰前訓練。特別是針對步兵對坦克的恐懼心理，專門開設了用T—
34坦克對步兵進行的「碾壓」訓練。同時還對炮兵進行了快速變更發射陣地的訓練，坦克兵則着重進行從掩體中進行精確射擊和遭遇戰的訓練。
整個庫爾斯克地區一片熱氣騰騰的景象，無數蘇聯軍民投身于這場大戰的準備之中，很快把庫爾斯克突出部變成了一個堅不可摧的大堡壘。
在戰線的另一端，德軍也在進行着最後的準備。希特拉原本打算在
5月份發起進攻。可是，由於
5月的融雪，以及
25萬軸心國軍隊在北非的覆滅，使希特拉不得不一再拖延攻擊的發起日。而受命指揮「堡壘」戰役的德軍指揮官曼施坦因和莫德爾越來越感到不安。
他們眼見蘇軍防線日漸堅固，認為德軍已錯失戰機，硬髮動進攻肯定會碰個頭破血流。希特拉這時也變得信心不足，但他仍對德制的「虎」式和「豹」式坦克抱有幻想。這樣，到
6月底，當德軍已集結起足夠的新式坦克後，希特拉終於決定放手一搏。
7月
4日，希特拉向突擊部隊下達了臨戰動員令，定於次日發起進攻。
而蘇軍統帥部已于
6月確定了前線作戰指揮體制。
6月
30日，朱可夫接到命令要他在奧廖爾方向協調中央方面軍、布良斯克方面軍和西方面軍的行動，以實施擊退敵人進攻的向奧廖爾突擊的「庫圖佐夫」戰役；華西列夫斯基被派往沃羅涅日方面軍，在那裡用該方面軍和與之毗鄰的西南方面軍實施「魯緬采夫」戰役計劃——在庫爾斯克會戰防禦階段結束後，向別爾哥羅德、哈爾科夫方向實施突擊。
7月
4日晚間，朱可夫來到中央集團軍司令部，在那裡，他從白天抓來一一名德軍俘虜口中得知，德軍將於次日凌晨發動進攻。凌晨
2時，蘇第
13集團軍報告發現德軍正在進入陣地。
朱可夫當機立斷，決定先發制人，他一面向最高統帥部通報情況，一面決定實施炮火反準備，即在德軍炮兵開始進行炮火準備之前的一刻，先敵開火，打亂德軍陣腳。
20分鐘後，在朱可夫的指揮下，蘇軍陣地上的所有火炮突然向德軍陣地開火，整個庫爾斯克地區頓時火光衝天，把夜晚映照得如同白晝一般。
根據戰役結束後得知的情況，蘇軍開火的時間比德軍預定的炮火準備時間正好提前了
10分鐘。正是由於朱可夫的臨機決斷，蘇軍才得到了這重要的
10分鐘，使德軍完全喪失了戰機。
由於蘇軍的行動極為突然，德軍進攻部隊被打了個措手不及，損失慘重，原定開始進攻中央方面軍的時間推遲了兩個半小時，進攻沃羅涅日方面軍的時間則推遲三小時。
5時
30分，在蘇軍炮火打擊下剛緩過氣來的德第
9集團軍在奧利霍爾特卡主突擊方向上向羅科索夫斯基的中央方面軍發起強大的坦克衝擊。
德軍進攻部隊前面是「虎式」重型坦克和「斐迪南」強擊火炮群，每群
10～
15輛，隨後是中型坦克群，每群
50～
100輛，以後是摩托化步兵。
在由北向南的
40公里長的戰線上，近千輛德軍坦克像一群狂奔的野牛，揚起衝天的煙塵，發出震耳欲聾的轟鳴，鋪天蓋地向蘇軍壓來。
蘇軍沉着應戰，一次次地打退了敵人的進攻。
庫爾斯克北端轉眼間彈片橫飛、橫屍遍野。
7月
5日全天，德軍先後發動
5次進攻，但最後只突入蘇軍防禦地帶
6～
8公里。
第二天，德軍在莫德爾的指揮下不顧一切損失繼續向前衝。可是，羅科索夫斯基這時把作為預備隊的坦克第
2集團軍拉了上來，沒等德軍往前再走一步，就一棍子砸將上去。
莫德爾只得迎戰，一場大規模的坦克決鬥爆發了。
在煙塵滾滾的平原上，蘇德坦克纏在一起，在炮彈的呼嘯聲中，一輛輛坦克化為煙柱……
戰鬥結果是德軍裝甲兵挫敗了蘇聯坦克的反突擊，但自己的炮彈也已用盡，而且陷入了蘇軍預設的無邊無際的雷場。莫德爾自知已無力進攻。這樣，德軍在庫爾斯克突出部北部的進攻，
48小時後就告失敗，被迫轉入防禦。
朱可夫把發生的一切都詳細報告了史達林。在報告的結束部分，朱可夫寫道：我們的步兵和炮兵，儘管有一些損失，但打得很出色，有組織地迎戰敵人大量坦克的衝擊，今後還會繼續這樣打下去。
德軍並不甘心失敗，他們重新部署力量，改變突擊方向，投入了全部坦克預備隊，再次殺向中央方面軍。他們有時從波內裡發起衝擊，有時從奧利霍瓦特卡發起衝擊，可是他們到處都碰到了堅固的防禦。
儘管德軍不顧一切瘋狂猛攻，但是在近一周的苦戰中，他們只向前推進了
6～
12公里。由於朱可夫和羅科索夫斯基的高明指揮，中央方面軍根本不需要草原預備隊的支援，靠自己的力量打退了敵人的進攻。
朱可夫非常滿意地向最高統帥彙報了交戰的初步總結，並開始着手進行轉入進攻戰役的準備。
7月
11日，朱可夫向史達林報告：進攻戰役的準備工作已全部結束。為了查明敵人的防禦前沿的情況，今天已進行了有力的偵察。據所有在這些方向上的集團軍和兵團司令們報告，我們的部隊已經接近敵人前沿。
在突出部的另一端，德軍的運氣似乎要比他們的同伴好一點。德軍在這一路集中了其所謂「軍中之花」、武裝黨衛軍的
3個坦克師——「帝國師」、「骷髏師」和「阿道夫·希特拉師」，其新式坦克的數量大大超過北路德軍。
