库尔斯克会战是苏德战场的决定性战役之一，双方投入超过268万名士兵和6044辆坦克，参战飞机超过2000架，是史上规模最大的坦克会战和单日空战。战役之前，德军能够自主选择发动进攻战役；战役之后，德军丧失了战略主动权，苏军开始收复国土的全面进攻。
1943年初，苏军在斯大林格勒战役中获胜后乘胜进攻。德国南方集团军群司令曼施坦因元帅主动放弃了一些重要据点。苏军在不断进攻中，战线越拉越长，德军却完成了兵力集结，向顿涅茨河和第聂伯河之间发起反击，重创苏西南方面军，使其被迫放弃一个月前刚攻占的哈尔科夫，后撤至库尔斯克南面的奥博扬地区。为防止战线的彻底崩溃，苏最高统帅部把第1坦克集团军从列宁格勒南调，第21和第64集团军也从斯大林格勒调至这些方向，战线趋于稳定。
哈尔科夫战役的胜利使得德军又充满了信心。曼斯坦因希望通过一次诱敌进攻后的防守反击来歼灭苏军，提出实施代号为“反手一击”的大胆行动，通过迂回到亚速海的罗斯托夫包围红军。有人认为库尔斯克战役来自曼施坦因的最早策划，这不符合事实，亚速海岸围歼战才是其最初设想。曼施坦因其后制订库尔斯克战役计划并坚持把这个战役进行到底，充其量只是初衷未竟而退求其次——服从希特勒的构想和意志。因为之前曼施坦因曾提醒希特勒，无论如何，推迟和中止库尔斯克战役将导致整个战略的不利。所以在战役过程中对希特勒的犹豫和退缩，曼施坦因坚决要求将此战役坚持下去。所以有人误解为曼施坦因主张计划并实施了库尔斯克战役。
对于退求其次的库尔斯克战役，曼施坦因提出两个建议，一是趁苏军立足未稳，先期发动进攻战役；二是等待苏军先行进攻，待其疲惫和消耗后，德军再行反攻，并抄击苏军后路。曼施坦因更为看好后者。但是，希特勒拒绝了后者，认为让苏军抢先进攻过于冒险。希特勒选择了前者，试图抢先攻击，但又一再推迟，期待己方力量的增加。就这样，希特勒又犯了一个错误，使苏军的力量得到更快加强。
库尔斯克突出部犹如从苏军的战线中伸出的拳头，其正面长约250英里，而底部却不到70英里。在该突出部有众多成建制的苏军。曼斯坦因计划通过南北两翼的钳形攻击，合围并歼灭整个突出部内的苏军重兵集团。并且此战役的成功将缩短德军的战线，使德军的机动性大大增加。曼斯坦因的计划得到了中央集团军群司令克鲁格元帅和陆军总部参谋长蔡茨勒上将的支持，但遭到第9集团军司令莫德尔上将和装甲兵总监古德里安上将的反对。理由是，1943年春，德军在欧洲东线坦克损失巨大。到1943年5月，东线18个装甲师只剩495辆坦克，平均一个师只剩27辆。虽然改进过的3、4号长炮型坦克能够压制T-34/76，而新式虎式和豹式坦克更具优势，但数量差距短期内不可弥补。古德里安认为对库尔斯克的进攻将使坦克遭受很大损失，他的改编装甲兵的计划也将破产。希特勒对此也犹豫不决，他曾对古德里安说“自从我开始考虑这次进攻，一直心情不好”。但最终希特勒还是决定采纳曼斯坦因的计划并发布第6号作战命令，决定德军以中央集团军群和南方集团军群联合发动一次钳形攻势，以摧毁在库尔斯克突出部的苏军。作战代号为“堡垒”。
1943年的雨季结束较晚，德军也准备不足，“堡垒”计划一再延期。在5月讨论“堡垒”计划会议上，第9集团军司令莫德尔上将带来一叠航空照片，照片显示苏军在德军计划进攻路线上构筑了大量防御工事。莫德尔认为进攻最佳时机已失去，苏军恢复了元气，应该放弃“堡垒”计划。希特勒再次显示出犹豫，但在克鲁格、蔡茨勒和曼斯坦因等的坚持下以及对于“闪电战”的自信，最终确定发动“堡垒”作战。
中央集团军群所属莫德尔上将第9集团军在库尔斯克突出部北部，该集团军共有21个德国师和3个匈牙利师，33.5万人，其中有6个坦克师，共有590辆坦克，424门火炮。
突出部中部是中央集团军群的第2集团军，96000人，在攻势中的主要任务是保持突出部南北德军间的联系。
突出部南部是曼斯坦因的南方集团军群，包括霍特将军的第4装甲集团军和肯普夫集群。第4装甲集团军下辖第52步兵军、第48装甲军和第2党卫装甲军，共22.4万人，925辆坦克，704门火炮；右翼的肯普夫集群，拥有10个师，12.6万人，344辆坦克和25门火炮。
此外还有约20个师部署在各突击集团翼侧。第4、第6航空队负责支援陆军。这样，德军的进攻总兵力达到90余万人，火炮和迫击炮约10000门，坦克和自行火炮2700辆，飞机2050架。德军为这次进攻还投入了大量新式兵器包括虎式、豹式坦克和斐迪南反坦克歼击车及胡蜂等自行火炮，以及福克沃尔夫190A式战斗机和汉克尔129式攻击机。
希特勒的将军们为“堡垒”计划争吵不休时，苏军也在计划下一步的行动。沃罗涅日方面军司令瓦图京大将主张发动一场先发制人的进攻，以打乱德军进攻准备，并夺回在哈尔科夫战役中失去的主动权，斯大林本人倾向于这一方案。而朱可夫、华西列夫斯基则认为，苏军应先保持防御状态，以防御消耗德军进攻能量，摧毁其装甲兵力，然后再发动反攻。
此时，前线侦查和间谍情报，都预示德军将对库尔斯克突出部的苏军展开大规模进攻。在一次会议上，斯大林最终被说服，采纳了朱可夫的计划。于是苏军开始在库尔斯克转入积极防御准备。
苏军精心设计防御，构筑数道防线，防御纵深超过100英里。防御体系由大量互相紧密配合的战壕、铁丝网、反坦克火力点和反坦克沟壕以及雷区组成。在德军最可能的进攻方向上，聚集了大量的兵力和火力。
在库尔斯克突出部北部，面对德中央集团军群的是苏中央方面军，包括第70、13、48、60、65集团军和第2坦克集团军，总兵力达71万人，10000多门大炮和迫击炮，1785辆坦克和自行火炮。苏军认为强大的德中央集团军群会担当此次主攻，所以在北部的力量是最强的，由朱可夫坐镇指挥。
库尔斯克突出部南部，面对德南方集团军群的是沃罗涅日方面军，下辖第6、7近卫集团军。第40、38、69集团军，第1坦克集团军及步兵第35军，兵力62.5万人，8718门大炮和迫击炮，1704辆坦克和自行火炮。
在中央方面军和沃罗涅日方面军的后方是科涅夫的草原方面军，任务是两个方面军形势吃紧时提供增援。而一旦库尔斯克防线被德军突破，它将成为最后一道防线。当苏军转入反攻时，它将提供增援。
科涅夫方面军辖第4、5近卫集团军，第27、47、53集团军，近卫第5坦克集团军，近卫第3、5、7骑兵军，近卫第4坦克军，近卫第1、3机械化军。总兵力为57万人，8510门炮，1639辆坦克和自行火炮。
莫斯科会战时，苏军只有17个诸兵种合成集团军参加，没有坦克集团军；斯大林格勒战役时，参战部队增加到14个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军和几个坦克军；而在库尔斯克战役时，有22个诸兵种合成集团军，5个坦克集团军和6个空军集团军及大量远程航空兵部队。苏军在兵力上占2.4：1的优势，在坦克上占1.9：1的优势，防御纵深达250-300千米，另外还得到2900架飞机支援。兵力构成上，炮兵团首次超过步兵团，比例为1.5：1，在威胁最大的中央方面军第13集团军的正面，每英里防御正面得到148门火炮支援，远超德军为发动进攻拼凑的数目。
一个个被认为德军可能发动进攻的日子都过去了。两个月来，前线十分平静。进入7月，瓦图京上书斯大林，认为应该率先展开攻势，苏军是为了夏季德军攻势而准备的，如果到了秋天，苏军工事就将失去作用。
由于斯大林一时下不了决心，苏军统帅部给前沿部队下令，抓德军俘虏审讯，看看德军准备做什么。7月4日夜，在突出部南部，第6近卫集团军捕获了德军第168步兵师的一名士兵，他供认德军即将在第二天开始进攻。5日凌晨，在突出部北部的第13集团军俘虏了德军第6步兵师一名中士，他也供认德军将在几小时之后发动进攻。
为了打乱德军进攻步骤，朱可夫于5日凌晨下达命令，率先向德军阵地实施炮击。由此拉开了库尔斯克会战的序幕。
南线：苏军的炮击完全出乎德军意料，给其造成很大损失。虽然原计划推迟了3个小时，但德南方集团军群的第4装甲集团军仍然发动了进攻。在损失了36辆坦克后，艰难越过苏军反坦克雷区，猛攻第67近卫步兵师防线。面对德军3个师的进攻，第67近卫步兵师被迫后退，瓦图京调来方面军预备队，试图把德军挡在第二道防线外。但德军还是在苏军第二道防线上打开了一道缺口，并强渡佩纳河。
德军的进攻比预计的要猛烈得多，瓦图京被迫取消了原定反攻计划，将用于反攻的第1坦克集团军的部分坦克布置在防线后方，以支援步兵进行防守，部分坦克布置在侧翼打击德军。这天，德国空军出击超过1000架次，完全压制住苏联空军。6日傍晚，瓦图京向华西列夫斯基请求增援，后者在得到最高统帅部的同意后，立即把草原方面军第5近卫集团军的第2和第10坦克军353辆坦克调往沃罗涅日方面军。同时，瓦图京接到斯大林亲自打来的电话，要求他不惜一切代价，阻止德军突破库尔斯克突出部的南部。在战斗中，德军只向前推进了数千米，未能达成突破苏军防线任务。
第二天德军继续进攻，瓦图京也在计划反攻，向最高统帅部请求，把草原方面军第5近卫坦克集团军和第5近卫集团军调他指挥。他的请求被批准了，但这些部队要几天的时间才能到达。在制空权的争夺上，苏联空军逐渐扭转了劣势，完全夺取制空权只是时间问题。
瓦图京指挥部队抵挡德军向奥博扬推进，同时在两翼发动反击。虽然反击遭到失败，却使德军无法全力攻击主要目标。德第4装甲集团军司令霍斯将军见无法正面突破奥博扬，决定先从右翼突破。他命令第2党卫装甲军转向东北的普罗霍罗夫卡。接下来的两天，德军进攻比较顺利，攻到一个叫普罗霍罗夫卡的村庄，库尔斯克会战的高潮由此上演了。
1943年7月12日苏德双方共有1500余辆坦克和自行火炮在普罗霍罗夫卡激战。普罗霍罗夫卡坦克大战也被认为是战争史上最大规模的坦克战。
对于普罗霍罗夫卡坦克大战，一名幸存的德军坦克兵说：“敌人无数坦克向我们猛冲，我对俄国坦克压倒一切的威力的印象从来没有那天深。团团硝烟使空军无法支援我们，大量T-34坦克很快冲破我们的队形，在整个战场像大群的耗子一样尖叫。”华西列夫斯基说：“我有幸目击了两股钢铁洪流在库尔斯克突出部进行的真正大规模的坦克会战。数百门火炮和我们所拥有的全部火箭炮同时参加了战斗，结果在一小时内燃烧着的德军坦克和我方坦克遍布战场。”科涅夫说：“普罗霍夫卡坦克大战，是德军装甲兵这只天鹅临终前的美妙歌声。”
随着冷战结束，前苏联资料公开，研究者发现这次坦克大战的规模比原先认为的小，双方直接参战的坦克和自行火炮约600辆。其中德军不到200辆，苏军约400辆。苏德双方几乎同时发动进攻，战斗中，德军虎式坦克的88毫米炮与4号坦克的75毫米坦克炮优势明显，而苏军T-34坦克的76毫米炮在同样距离下无法对德军造成威胁，大量苏军坦克在交战距离以外就被德军击毁。苏军第5近卫坦克集团军战报说，所属坦克军已丧失继续进攻能力，将余下坦克编入步兵部队。这天的坦克大战中，德军虽然以相对较小的损失摧毁了更多苏军坦克，却没能攻占普罗霍罗夫卡。而随后源源赶到的苏军援兵使防线将更加坚固。
北线：苏军炮击使德军的进攻比原计划推迟了两个半小时。在几十分钟的炮火准备和空中轰炸之后，德第9集团军按计划开始了进攻。莫德尔为了把苏军的注意力从德军主攻方向上引开，先在左翼以3个步兵师实施佯攻，但被苏军阻止。在主攻方向，德军集中了4个装甲师和3个步兵师，经激烈的战斗，突破了苏第13集团军第一道防线，艰难地向前推进5千米。但在两翼，苏军顽强地守住阵地。地面激战的同时，双方空军激战。这一天德军出动了1000架多次，苏军也出动了600余架次。双方战至终了时，德军只向前突破不足10千米，却至少损失了70辆坦克。
第二天，罗科索夫斯基发动反击，莫德尔把预备队投入战场，一次大规模坦克战展开。经过激战，苏军两个坦克旅遭到重创，损失了约70辆坦克。德军乘胜前进，杀到苏军第二条防线前，但被第17近卫步兵军以及赶来增援的苏第17坦克军阻止。凌晨，德军再次发动进攻，企图夺取交通枢纽波内里，战斗异常激烈。德军数次攻入市区，都被苏军击退。苏联空军经过激战，夺取了库尔斯克北部制空权。
库尔斯克会战中，德军不仅看不到胜利希望，而且在突出部的第9集团军有被切断后路、重蹈斯大林格勒覆灭的危险。希特勒决意终止“堡垒”计划，抽调B集团军群去意大利，克鲁格赞同希特勒的决定。但曼斯坦因强烈反对，他认为德军不应在决战战场草率收场，德军还有充分力量继续以坦克优势消耗苏军装甲力量，使苏军不能在德军撤出进攻后立即发起强力反击。所以在战役刚进行到决战高潮时取消“堡垒”作战是错误的决定。而希特勒最终取消进攻，德军开始后撤，双方基本恢复交战前态势。
苏军决定在12日发动进攻，以打败拿破仑入侵的俄国元帅库图佐夫的名字作为战役代号。12日凌晨，苏军向奥廖尔突出部德军阵地实施了两个多小时炮击。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。德军顽强抵抗。
此时苏联空军完全控制了制空权，法国“诺曼底”航空大队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军，莫德尔无力阻止进攻，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，后撤至“哈根”防线，但被希特勒否决。
7月25日，墨索里尼下台，意大利退出战争的迹象明显，希特勒需要从欧洲东线抽调兵力去意大利，奥廖尔突出部的德军面临被苏军合围的危险。莫德尔和克鲁格再次请求后撤，希特勒最终同意弃守奥廖尔，并调第2党卫装甲军去意大利稳定局势。德军向“哈根”防线撤退途中，德军实行了残酷的焦土政策。苏军攻克了奥廖尔，并继续追击退却中的德军，解放了霍特涅茨，进入卡拉切夫。苏军的进攻基本结束，战线逐步稳定了下来。
奥廖尔战役中，苏军歼敌近20万人，损失坦克1040辆、火炮2402门，向西推进了150千米，拉平了库尔斯克防线，但未能完成战前制定的合围并歼灭德中央集团军群的计划。苏军伤亡也巨大，伤亡近43万人，损失坦克2586辆、火炮892门、飞机1104架。
在南线，德军和苏军脱离接触时，斯大林要求立刻发动反攻，但朱可夫认为经过连续战斗后，苏军应进行必要的补充和修整。这样苏军把进攻的日期最终确定8月3日，作战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、2800多辆坦克和自行火炮。
8月3日凌晨，苏军近万门大炮齐鸣，炮击持续了两多小时，最后以喀秋莎火箭炮的齐射作为结束，随后坦克和步兵发起攻击。在炮击中幸存的德兵无力阻挡苏军的前进，苏军很快突破德军第一道防线。经过一天战斗，苏军各突击集团向德军纵深推进了10-15千米。随后几天战斗中，德军的防守异常顽强，苏军的坦克继续向前突破，步兵却被德军缠住，进展缓慢。5日，苏第1坦克集团军攻占鲍里索夫卡，切断了托马罗夫卡德军第255、332步兵师和第19装甲师的退路，德军拼死抵抗，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。5日，苏军收复别尔哥罗德，7日，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。
由于苏军坦克部队前进快，步兵忙于清除被包围德军，坦克部队和步兵开始脱节。曼斯坦因打算等苏军进攻能量消耗后实施反击。此时瓦图京对形势十分乐观，认为德军已到了崩溃的边缘，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。
德军已集结完毕，补充了弹药和燃料，曼斯坦因开始反攻。而此时苏军坦克部队仍处于追击状态，步兵和炮兵仍在后方，经过多日激战，弹药和燃料都已严重不足，特别是苏军对德军的进攻未察觉。苏军重犯了5个月前在哈尔科夫战役的错误。11日晚，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近卫坦克集团军及时赶到，避免了第1坦克集团军全军覆灭。在德军的进攻下，苏军被迫后退，随后苏第6近卫集团军的坦克被德军全歼。
德军反击虽然给苏军重创，但曼斯坦因没有力量扩大战果。苏军数量上的优势再次起到决定性作用，恢复了进攻。其后德军的反攻再未给苏军造成威胁。苏军攻抵哈尔科夫西面的乌德河北岸，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近卫坦克集团军只剩下50辆坦克。苏第53集团军率先攻入城内，德军退向第聂伯河防线，沿途破坏了所有公路、铁路和桥梁，污染了水源、焚烧一切农作物，毁坏了建筑物。苏军收复哈尔科夫。
库尔斯克战场遍布着数以百计烧焦的坦克和飞机的残骸，以及无数的尸体。苏军遭受了巨大损失后，仍然能按照计划发起全面反攻，而德军则再也无法扭转整个东线战局。
库尔斯克会战双方伤亡统计出入很大，也是史学界争论的焦点。
德军统计，75000人阵亡、受伤或被俘，248辆坦克被击毁，900架飞机被击落。苏军180000人阵亡、受伤或被俘，600辆坦克被击伤或击毁，2000架飞机被击伤或击落。
苏军统计，德军300043人阵亡，1019109人受伤，122508人失踪，700辆坦克被击伤，2609架飞机被击落。苏军141941人阵亡，991472人受伤，3064辆坦克被击伤或击毁，1200架飞机被击伤或击落。
库尔斯克会战以苏军的最后胜利而结束。会战后，苏军完全掌握了战略主动权，转入战略进攻。斯大林说：“苏军在库尔斯克会战的胜利标志着德国法西斯已经处于覆灭的边缘。”斯大林还说：“如果说斯大林格勒会战预示着德国法西斯的衰落，那么库尔斯克会战则使它面临灭顶之灾。”
