此次战役的转折点发生在普罗霍罗夫卡地区。
曾经参与第三次莫斯科保卫战、于八月初调任沃罗涅日方面军司令员的瓦图京大将，指挥苏军在正面抵挡德军向奥博扬地区推进，同时于两翼连续发动反击，虽然这些反击一次又一次遭到失败，但却使德军无法全力以赴的攻击他们的主要目标。
见德军第四装甲集群始终无法从正面取得突破，古德里安只好命令该部先从右翼取得突破，即派遣第二党卫装甲军转向东北的普罗霍罗夫卡地区。接下来的两天时间里。德军的进攻比较顺利，他们一口气攻到了普罗霍罗夫卡城下，库尔斯克会战的高.潮－幕就此上演。
十一月二十一日清晨，苏德双方的坦克部队不期而遇，几乎同时向对方发动了进攻，两千多辆坦克陷入混战。
在战斗中，德军采购自南华的“虎式”坦克的88毫米炮与四号坦克的75毫米坦克炮优势明显，而苏军同样采购自南华的t-34坦克的76毫米炮在同样距离下却无法对德军造成威胁，大量的苏军坦克在交战距离以外就被德军坦克击毁。
在这天的坦克大战中。德军虽然以相对较小的损失。摧毁了更多的苏军坦克，但他们却没能攻占普罗霍罗夫卡。随后源源赶到的苏军援兵使他们的防线将更加坚固。
根据情报部分掌握的情况，此战苏军损失了九百多辆坦克，其中大部分为绝对损失，同样地，德军的损失多达四百三十多辆，其中包括很多“虎式”坦克，这直接导致苏军近卫第五坦克集团军不能达到攻占有利地形或击溃德军武装党卫军第二装甲军的目的，双方部队均在战役中被削弱。
就在同一日，苏军强大预备队在库尔斯克全线发起反击，德军后方的波罗的海三国、白俄罗斯、乌克兰地区的游击队，持续出击，破坏了德军连接前后方的数以千公里计的铁路线。
与此同时，苏军再次集中九个集团军，攻击列宁格勒，迫使希特勒不得不从中部作为战略预备队的第四集团军、第九集团军、第十六集团军和重新组建的第三坦克集团军抽调部队支援。
战局牵一发而动全身，再次演变为席卷整个苏德战场的大决战。
二十四日凌晨，苏军向奥廖尔突出部的德军阵地实施了长达两个多小时的炮击，随后索科罗夫斯基上将的西方面军和波波夫上将的布良斯克方面军的一线部队开始发起进攻。德军进行着顽强的抵抗，给苏军造成重大伤亡。
次日，罗科索夫斯基大将指挥苏中央方面军的第七十、第十三和第四十八集团军也加入攻击。
面对苏军的全线攻击，二十七日上午，莫德尔不得不向希特勒请求放弃奥廖尔地区，将德军后撤至“哈根”防线，希特勒虽然非常不情愿，但为了保存实力，最终还是同意了撤退计划。
而在南线，当德军在二十三日和苏军脱离接触时，斯大林便要求苏军立刻发动反攻。虽然朱可夫以部队连续战斗需要休整一段时间为由申请延期，但遭到斯大林的拒绝，苏军的反击于二十六日打响。
担当此次进攻任务的是沃罗涅日方面军和草原方面军，总兵力为九十万人和三千多辆坦克和自行火炮。
清晨七点，苏军近万门大炮齐鸣，大量炮弹倾泻到德军阵地上，炮击持续了两多小时，最后以一阵喀秋莎火箭炮的齐射作为结束。随后坦克和步兵开始发起攻击。在炮击中幸存的德兵无力阻挡苏军的前进，苏军很快就突破了德军第一道防线，经过一天的战斗苏军各突击集团平均向德军纵深推进了十五公里。