Trận vòng cung Kursk bắt đầu vào ngày 5/7/1943 và kết thúc vào ngày 23/8/1943. Đỉnh điểm của Chiến dịch phòng ngự-phản công Vòng cung Kursk chính là trận đấu xe tăng lớn nhất trong lịch sử các cuộc chiến tranh với sự tham chiến của hơn 1.200 xe tăng và pháo chống tăng tự hành. 

Sau một thời gian tham chiến trên chiến trường Xô-Đức, mặc dù phải chịu những thất bại hết sức nặng nề, nhưng đến mùa hè năm 1943, Cụm tập đoàn quân Trung tâm, quân đội Đức Quốc xã đã tạo được một vùng lõm ăn sâu vào tuyến phòng thủ của quân đội Liên Xô ở phía Bắc Kursk đến 70km.

Cách thành phố Kursk khoảng 100 km về phía Nam, Cụm tập đoàn quân Nam (Đức) chiếm đóng Kharkov - Belgorod và cũng tạo nên một vùng lõm thứ hai. Giữa hai vùng lõm này là Kursk, một trận tuyến hình cánh cung nhô về phía quân Đức có tổng chiều dài trên 500 km.

Nhằm nhanh chóng lập lại thế trận trên chiến trường, sau một thời gian tích cực chuẩn bị, quân đội Đức quyết định tập trung tối đa lực lượng xe tăng, xe thiết giáp để chuẩn bị tấn công Hồng quân Liên Xô trên tuyến phòng ngự Vòng cung Kursk.

Tổng số binh lực mà quân đội Đức huy động lớn chưa từng có: khoảng 950.000 quân, 2.928 xe tăng, 9.467 pháo (không kể pháo dưới 45 mm) và hơn 2.200 máy bay - chiếm 17\% số sư đoàn bộ binh, 70\% số sư đoàn xe tăng, 30\% số sư đoàn cơ giới và 60\% số máy bay của Đức trên mặt trận phía Đông.

Sau khi đánh giá về khả năng tấn công của quân Đức quốc xã vào tuyến phòng thủ Kursk, Hồng quân Liên Xô đã có những bước chuẩn bị hết sức kỹ lưỡng. Khoảng 1,3 triệu quân được huy động, 3.600 xe tăng, 20.000 pháo cối, 2.792 máy bay được tăng cường, chiếm 26\% quân số và số lượng pháo cối, 35\% số máy bay và 46\% số xe tăng thiết giáp của Hồng quân Liên Xô. Sự tăng cường này đã biến Vòng cung Kursk trở thành một trong những khu vực được bố phòng dày đặc nhất trong lịch sử chiến tranh.

Nhận được thông tin tình báo về việc quân Đức sẽ sớm tấn công tuyến phòng thủ Kursk, sáng sớm ngày 5/7/1943, Hồng quân Liên Xô quyết định tiến hành tấn công trước. Vào lúc 2 giờ 30 phút, hơn 2.000 dàn pháo Katyusha BM-13 cùng gần 10.000 nòng pháo kết hợp với các máy bay ném bom tầm xa và máy bay ném bom ban đêm dội một trận bão lửa lên tất cả các tuyến chuẩn bị tấn công của quân Đức Quốc xã. Bị bất ngờ hoàn toàn, quân Đức đã phản ứng yếu ớt.  

Sau khi quân đội Liên Xô ngừng pháo kích vào lúc 4 giờ 30 phút sáng, các máy bay trinh sát Đức mới xuất hiện trên bầu trời, bắt đầu chỉ điểm cho máy bay cường kích và pháo binh bắn phá dọn đường tấn công. Đến 6 giờ sáng, các tập đoàn quân xe tăng Đức mới có thể bắt đầu xuất phát tấn công.

Ở cánh Nam, Cụm tập đoàn quân Nam (Đức) tập trung các đòn tấn công tại tuyến mặt trận từ phía Nam Belgorod đến phía Tây Bắc Tomarovka. Ở cánh Bắc, Cụm tập đoàn quân Trung tâm tấn công trên một địa đoạn hẹp dài 40 km từ Tureika, phía Nam Varonyets đến Trosna, phía Tây Bắc Maloarkhangensk. Tập đoàn quân 2 thuộc Cụm tập đoàn quân Trung tâm được giao nhiệm vụ kiềm chế chính diện từ Sevsk qua Rynsk đến Sumy.

Sau một tuần tấn công, đến ngày 12/7, cánh Nam của Cụm tập đoàn quân Nam (Đức) tiến được 36 km trên hướng Velenikhino-Gotishevo. Cánh Bắc của Cụm tập đoàn quân Trung tâm chỉ tiến được không quá 12 km trên hướng Ponyri-Olkhovatka. Vấp phải sức chống trả quyết liệt trên tuyến phòng ngự vững chắc của quân đội Liên Xô, cả hai cánh quân xe tăng của quân đội Đức đã bị chặn lại và tiêu hao nhiều sinh lực.

Ngày 10/7, tại thị trấn Pokrovka nhỏ bé trên bờ sông Vorskla đã bắt đầu diễn ra trận đấu xe tăng kéo dài suốt 3 ngày trên cánh nam của Vòng cung Kursk.

Vào lúc 8 giờ sáng, Tập đoàn quân xe tăng 4 (Đức) tập trung cả hai quân đoàn xe tăng 48 và 2 SS tấn công từ hai hướng tây nam và nam vào thị trấn Pokrovka. Các sư đoàn bộ binh 255 và 332 của Quân đoàn bộ binh 52 (Đức) được tăng cường Sư đoàn xe tăng 11 vượt sông Tsena đột phá vào Novenkoye, buộc Quân đoàn xe tăng 6 (Liên Xô) phải rút lui về giữ Novenkoye. Các sư đoàn bộ binh 57 và 112 (Đức) đẩy lùi Quân đoàn cơ giới 3 (Liên Xô) sâu thêm 10 km về Kalinovka. Các sư đoàn xe tăng chủ lực của cánh quân Đức phía nam Vòng cung Kursk đã không đánh thẳng vào Kursk qua ngả Oboyan như phán đoán ban đầu của Bộ Tổng tham mưu quân đội Liên Xô mà tấn công lên hướng đông bắc, vòng ra phía sau toàn bộ tuyến phòng thủ thứ nhất và thứ hai của quan đội Liên Xô.

Chặn đánh hai binh đoàn xe tăng hùng mạnh gồm hơn 500 chiếc của quân đội Đức Quốc xã tại đây chỉ còn trơ trọi Quân đoàn xe tăng cận vệ 5 của Tập đoàn quân xe tăng 1… với vỏn vẹn 135 xe tăng các loại. Cuối ngày 10/7, sau khi bị mất 12 xe tăng, Quân đoàn xe tăng cận vệ 5 bị đẩy ra khỏi vị trí phòng thủ thuận lợi trong thị trấn Pokrovka và bắt đầu lùi dần theo đường nhựa Pokrovka về phía tây bắc, vừa lùi vừa tổ chức phản kích. Các tập đoàn quân không quân 2 và 5 được lệnh tập trung máy bay cường kích yểm hộ cho Quân đoàn xe tăng cận vệ 5. Hơn 450 phi vụ của các máy bay IL-2 đã được huy động dành riêng cho một đoạn đường chỉ dài 25 km từ Pokrovka đến Prokhorovka.

Quân đoàn xe tăng cận vệ 5 phải chiến đấu “một mất một còn” với 2 quân đoàn xe tăng Đức. Mặc dù có máy bay IL-2 yểm hộ nhưng các xe tăng Đức vẫn nhiều lần đột kích vào hai bên sườn Quân đoàn xe tăng cận vệ 5. Trong ngày cuối cùng, quân đoàn đã phải tác chiến bằng cách “một đổi một” với các xe tăng Đức và về được đến Aleksandrovsky với hơn 50 xe tăng còn hoạt động được. Trinh sát đường không của Tập đoàn quân không quân 5 đếm được gần 200 xác xe tăng Đức và Liên Xô rải dọc 25 km đường nhựa Pokrovka-Prokhrovka.

Chiều 11/7, Quân đoàn xe tăng 3 (Đức) đánh chiếm Belenikhino, tiến lên phía bắc hội quân với Quân đoàn xe tăng 48 (thiếu Sư đoàn xe tăng 11) và Quân đoàn xe tăng 2 SS. Mặc dù bị tổn thất gần 100 xe tăng trong cuộc truy đuổi để đánh quị Quân đoàn xe tăng cận vệ 5 của Liên Xô nhưng hai quân đoàn xe tăng 48 và 2 SS (Đức) vẫn còn khá sung sức với tổng cộng hơn 494 xe tăng và pháo tự hành còn hoạt động tốt.

Hồng quân đội Liên Xô đưa đến Prokhorovka Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 5 còn nguyên vẹn với khoảng 500 xe, trong đó có 118 xe tăng IS-1 của Quân đoàn xe tăng 10. Tham gia trận Prokhorovka còn có 126 xe tăng của Quân đoàn xe tăng 2 (Tập đoàn quân cận vệ 5), 115 xe tăng của Quân đoàn xe tăng cận vệ 2 và 81 xe tăng của Quân đoàn cơ giới cận vệ 35. Trong số gần 50 xe tăng còn lại của Quân đoàn xe tăng cận vệ 5 vẫn còn hơn 10 chiếc sử dụng được.

Cuộc chiến giằng co giữa 4 sư đoàn xe tăng cùng 1 sư đoàn cơ giới Đức với 4 quân đoàn xe tăng và một quân đoàn cơ giới Liên Xô tại khu vực tam giác Prokhorovka - Vasilyevka - Storozhevoye kéo dài đến quá trưa nhưng không đi đến kết quả ngã ngũ. Riêng thị trấn Vaslievka đã qua ba lần giành giật giữa hai bên. Làng Bogorodetskoe cũng hai lần chuyển từ tay quân đội Liên Xô sang tay quân Đức và ngược lại chỉ trong hơn 4 giờ. Trên khúc cong của sông Psyol đã có hàng trăm xe tăng của cả hai bên lao xuống nước để dập lửa. Khi các xe tăng đều cạn kiện nhiên liệu và đạn dược, các pháo thủ và lái xe tăng của hai bên đã đọ súng bộ binh với nhau và thậm chí sử dụng cả lưỡi lê, dao găm… Không quân Đức xuất kích hơn 600 phi vụ, trong đó có hơn 400 phi vụ cường kích của máy bay Ju-87 nhằm vào các xe tăng Liên Xô. Các tập đoàn quân không quân 5 và 16 (Liên Xô) đã thực hiện không dưới 1000 phi vụ, trong đó có hơn 600 phi vụ cường kích IL-2.

Quân đoàn xe tăng 10 thuộc lực lượng dự bị của Đại bản doanh tăng viện cho Tập đoàn quân xe tăng cận vệ 5 có hơn 120 xe tăng hạng nặng IS-1 đã tập kết tại bờ bắc sông Psyon và đến 14 giờ, quân đoàn này vượt sông và chặn đứng Sư đoàn xe tăng 3 (Đức) tại tây nam Vasilyevka.

Về hỏa lực, xe tăng Tiger I với pháo 88mm L/56 trội hơn IS-1 với pháo 85mm L/52, nhưng về vỏ giáp thì IS-1 trội hơn. Các xe tăng IS-1 lần lượt hạ từng chiếc Tiger I của Đức bằng pháo nòng dài 85 mm từ cự ly 1.000 m. Ở cự ly tương đương, pháo 88 mm của Tiger I bất lực trước vỏ thép dày từ 90 đến 120 mm của loại xe tăng IS-1.

Tối 12/7, tàn quân của các sư đoàn xe tăng Đức rút lui. Theo người Anh tổng kết, quân đội Đức Quốc xã mất 320 xe tăng, quân đội Liên Xô mất khoảng 400 chiếc.Phía Liên Xô đưa ra kết quả ngược lại, quân đội Liên Xô mất 300 xe tăng và pháo tự hành nhưng đã phá hủy 400 xe tăng và pháo tự hành, 88 pháo, 70 súng cối và hơn 300 xe quân sự của đối phương. Phía Đức thừa nhận trận tấn công đã hoàn toàn thất bại.

Đến ngày 20/7, quân Đức buộc phải rút lui, Hồng quân Liên Xô chuyển sang phản công. Trên hướng Oryo l - Bryansk, Quân đội Liên Xô huy động Phương diện quân Trung tâm, Phương diện quân Bryansk và cánh trái của Phương diện quân Tây giáng đòn tấn công hợp điểm vào trung tâm phòng ngự Oryol của quân đội Đức Quốc xã. Chỉ sau 1 tháng đã đẩy lùi quân Đức Quốc xã, nắn thẳng tuyến mặt trận, xóa bỏ được chỗ lõm Oryol.

Tại cánh Nam, Phương diện quân Thảo nguyên, vốn là lực lượng dự bị lớn đã được điều ra tuyến đầu, cùng với Phương diện quân Voronezh và cánh trái của Phương diện quân Tây Nam mở chiến dịch phản công đồng loạt vào Tập đoàn quân xe tăng 4 và Cụm tác chiến Kemf  của Đức. Giai đoạn phản công của quân đội Liên Xô kết thúc bằng việc đánh chiếm lại thành phố Kharkov lần thứ hai và cũng là lần cuối cùng ngày 23/8.

Với thất bại sau trận chiến Kursk, quân đội Đức Quốc xã không đạt được mục tiêu và chịu thiệt hại hết sức nặng nề: 500.000 quân bị thương vong; 1.500 xe tăng, 3.000 khẩu pháo và 3.700 máy bay bị bắn hạ hoặc phá hủy. Ngoài ra, quân Đức Quốc xã còn phải rút lui thêm về phía Tây hàng trăm km. Thua trận, quân đội Đức Quốc xã đã mất hẳn quyền chủ động tấn công chiến lược và rơi vào thế phòng thủ bị động. Lúc này, quân Đức Quốc xã chỉ còn có thể phòng ngự, kết hợp một số trận phản công nhỏ và hầu hết đều không thành công cho đến khi đầu hàng toàn bộ vào tháng 5/1945.

Với thắng lợi thuộc về Hồng quân Liên Xô, Trận vòng cung Kursk đã trở thành một trong những chiến thắng bước ngoặt quan trọng, đánh dấu sự đi xuống của quân đội Đức Quốc xã trên chiến trường Xô-Đức cũng như trong Chiến tranh thế giới thứ 2.