7月12日，德军南方集团军对普洛赫洛夫卡发动了总攻击。如果德军能顺利占领该城，那么德军进攻库尔斯克的取胜把握便会大增。
德国担任主攻的是豪瑟将军指挥的第2SS军团，辖有近700辆坦克（其中约100辆是虎式坦克）。33（纳粹武装近卫队）是希特勒的私人军队，也是希特勒种族优越神话下的产物。加入33的士兵不仅要有纯正的雅利安血统，也要求具备强健的体格。纳粹在宣传上总是将33塑造成钢铁般的劲旅，但实际上33缺乏有经验的各级干部，战斗的伤亡率颇高，并不见得比国防军的精锐部队高明多少。不过SS的人员及装备补充都有优先权，编制也比国防军的部队大。因而，33仍称得上是德军引以为傲的精锐部队。
在33军团左侧是身经百战的第48装甲军，右侧还有肯夫军团的300辆坦克支援。自清晨发动攻击开始，德军就陆续遭到苏军数个机械化部队的攻击，到了大约上午9点，两军的主力终于在普洛赫洛夫卡城的南郊遭遇。
作为苏军先锋的第5近卫坦克军团首先冲进了德军的队伍中。德军坦克炮虽然能在1500至1800米的距离开火，但此刻它们面对苏军坦克的全速出击只能望洋兴叹，于是两军很快纠结在一起。在这种情况下，德军虎式坦克强力的火炮以及苏军的拉—5H型坦克，都无法讨到什么便宜，它们那巨大的炮塔不易旋转反而成了致命伤。不多久，草原上到处都是坦克的残骸。浓密的硝烟弥漫着战场，坦克行进和射击扬起的沙土更阻碍了两军的视野，双方的士兵也混杂在其中互相厮杀。
在近距离对攻中，无数的惨烈战斗不断地在上演，炮声、枪声、爆炸声和哀嚎声处处可闻。坦克乘员侥幸从燃烧的坦克里爬出后，往往被迫拿起步枪像步兵一样地作战，有时双方的坦克兵甚至用匕首肉搏。
就在南线坦克部队激战正酣之时，北线也展开了正面对攻。不过唱主角的却不是坦克而是空军，担任北线防御的苏联空军第16集团军，从开战第一天起就同德军展开了激战。空战中，苏联飞行员表现出的机智勇敢令德军吃惊不小，加上飞机本身性能良好，于是一架架德军飞机拖着浓烟撞向地面，往往还误中自己的坦克。战斗中，苏军研制的聚能炸弹大显神威，强击航空兵第291师使用这种武器，一口气便干掉了德军坦克30辆，以致德军坦克参谋长梅伦将军悲叹道：“许多坦克成了苏联空军的牺牲品，俄国飞行员表现得特别勇敢。”
在空军的有效支援下，苏军地面部队顽强地顶住了各路强攻的德军。到7月5日夜，德军仅在奥利霍瓦特卡方向楔入苏军防御区6～8公里。
然而，防御战役的第二天表明，苏联空军为压制和消灭大量目标分散了自己的兵力。歼击机的作战也暴露出一些缺点：他们迷恋于同敌战斗机作战，有时竟把敌轰炸机置之于不顾；有些歼击机巡逻队只在已方上空值班待命，没有按高度作梯次配置，这样就只能通过不间断的空中巡逻来掩护地面部队，造成了兵力的大量消耗。
7月6日，苏军航空兵克服了前一天作战中存在的缺点。他们注意监视空中情况，必要时还用机场值班分队来加强歼击机巡逻队。为了更加主动地打击德机，他们甚至还大胆地把巡逻警戒线推至敌占区空域。
德军航空兵遇到顽强的抵抗，其攻势严重受挫。而苏军航空兵却不断加强突击，这一天出动架次比7月5日多了一倍。在战斗机的92次空战中，共消灭德机113架。轰炸、强击航空兵也于6日展开了强大的反突击，给楔入防线之敌造成重大杀伤。
从7月7日开始，苏军牢牢地掌握了战区北部的空中主动权，大部分德军轰炸机还未开到战场即遭到了拦截，并且损失惨重。
至10日，德军在奥寥尔-库尔斯克方向上的进攻能力已经枯竭，不得不转入了防御。首先，北线作战中，苏空军第16集团军出动飞机7600架次，远程航空兵出动800架次，共消灭德军飞机517架，有力地支援了地面部队粉碎德军进攻。陆军部队对他们的表现给予很高评价，第13集团军总指挥在报告中写道：“请向空军全体人员转达我们地面部队的衷心感谢，感谢他们从空中给我们的积极支援。我们都怀着爱戴的心情赞扬自己的战友从空中实施的成功突击。”
在南线，担任防御的苏军航空兵打得更加顽强。当德军从别耳哥罗德向库尔斯克城以南的奥博扬发起主攻后，沃罗涅日方面军几乎将其所有兵力都集中到了奥博扬一线。从5日开始，双方又展开了歼击机大战，参战飞机之多、空战频率之高、战况之惨烈，均达到惊人的程度。在宽20公里、长69公里地区上空，同时有双方的2000多架飞机在纵横交织，几乎遮蔽了天空。一次参战的飞机常常多达100～150架。7月5日双方编队空战达99次。至10日止，仅空军第2集团军的歼击机就进行了205次空战，击落德军飞机330架，自己只损失153架。
强击航空兵和轰炸航空兵主力，用于打击猖狂北进的德军坦克集团。头两天，强击机和轰炸机都以6～8机编队活动，收效并不很大。后来为了提高突击效率，减少飞机的损失，便改以30～40机编队实施集中突击。因为大编队强击机和轰炸机的防御能力更强，歼击机也更容易掩护。如此铺天盖地的空中火力，给德军的进攻造成了极大的困难。
德国空军历来以作战迅速勇猛而一度让盟军伤透脑筋，此次在库尔斯克的表现当然也不同凡响。他们对苏军地面部队的空袭曾一度十分凶猛。7月8日清晨，德军第一个反坦克大队——第9强击联队第4大队在巡逻中发现别耳哥罗德以北有苏军—个坦克旅，正向德军的侧翼运动，立即集中了全大队的56架Hs-L29B2强击机展开超低空迎头痛击，30毫米穿甲弹雨点般飞向坦克集群，短短几分钟内便有6辆坦克起火燃烧。苏军被迫停止了攻势后撤。
面对苏军优势兵力的顽强抵抗，7月10日，损失惨重的德军被迫中止了对奥博扬的进攻，德军第一阶段南北对进计划就这样被无情粉碎了。但是，希特勒不肯罢休，他进行了重新部署，把进攻重点放到南线，将坦克师、机械化师和航空兵的主力调到了奥博扬东南的普罗霍罗夫卡地域，打算从东南方向迂回包抄库尔斯克。沃罗涅日方面军针锋相对，及时调整了自己的部署，决心以攻对攻，彻底粉碎进攻之敌。
至7月23日，沃罗涅日方面军的部队完全恢复了7月5日前所处的位置。在别耳哥罗德-库尔斯克方向防御战役期间，苏军航空兵共出动飞机1926架次，击落德机899架。至此，希特勒攻占库尔斯克的“卫城作战”计划彻底破产。
