这证实他4月份的推断。在最高统帅部和总参谋部，认为德军可能在最近几天内转入进攻的意见占了上风。”
大约在同时，沃罗涅日方面军司令员和军事委员会委员赫鲁晓夫向斯大林建议对别尔哥罗槽—哈尔科夫地域的德军集团实施一次先发制人的突击。沃尔科夫、华西列夫斯基和安东诺夫以及总参谋部的一些成员不赞成这项建议，于是沃尔科夫把这一情况报告了斯大林。
使沃尔科夫失望的是，斯大林犹豫不决，对于究竟是以强固的防御迎击敌人，还是先改进行一次突击以挫败敌人的进攻，拿不定主意。斯大林担心会象1941年和1942年那样，苏军的防御经不住德军的突击，同时他不相信苏军能够粉碎强大的、坚固筑全进守的敌人。这种举棋不定的情形一直持续到5月中旬。经过多次讨论，最后斯大林才同意以纵深梯次防御消耗敌人，然后在别尔哥罗德一哈尔科夫方向和奥廖尔方向上发起强大反攻来打击敌人。
德军的情况相当糟糕。5月初，希特勒决定把“堡垒”战役推迟到6月。他希望到那时，他的各个装甲师将配备新型坦克。可是，当新型坦克运到时，战役开始时间已推迟到7月初了。趁苏军尚未从冬季战役的损失中得以恢复之前，向它发动突击的大好时机终于永远丧失了。
根据沃尔科夫的建议，最高统帅部开始迅速集装部队，以便阻挡德军的进攻。中央方面军和沃罗涅日方面军将承受敌军的主要突击。作为预备队和反击部队，最高统帅部建立了预备队方面军，其编成内有几个多兵种合成集团军和一些坦克与机械化兵团。这些部队即将参战的地区的地形，是开阔的大草原，沟壑溪谷不多，非常适宜使用大量坦克。
五个坦克集团率、若干个坦克和机械化军以及一些步兵军和步兵师，编入最高统帅部预备队和各方面军的第二梯队中。这些机动兵团不仅可以迅速调去堵住战线上可能出现的任何缺口。而且是一支可以在适当时机投入战斗的庞大的反攻力量。
最高统帅部指定西方方面军和勃良斯克方面军负责制订向奥廖尔一带德军发动进攻战役的计划，但战役的实施要等到德军最初的攻势被遏止以后。
自战争开始以来，苏军实施防御的部队中，炮兵团的数目首次超过步兵团的数目，其比例是1．5比1。在最可能遭到敌人突击的方向上，火炮的配置也最密集。例如，在受威胁最大的地段——奥廖尔至库尔斯克的铁路线担任掩护的中央方面军第13集团军，其每英里正面上得到大约一百四十八门火炮和迫击炮的支援，远远超过德军为发动进攻所能拼凑的数目。
在实施防御准备期间，中央方面军和沃罗涅日方面军又获得了九千多门火炮和迫击炮。从最高统帅部预备队中总共拨出九十二个炮兵团来加强这两个方面军。配置了大千多门防坦克炮，在比较重要的方向上共敷设地雷和炸药包约达四十万个。
斯大林命令沃尔科夫留在库尔斯克，负责协调中央、勃良斯克和西方三个方面军的行动，而华西列夫斯基则负责指导沃罗涅日方面军。
7月4日下午3时，经过短时间的炮兵射击和空中轰炸之后，库尔斯克会战爆发了。据冯·梅伦廷将军记载，当天傍晚，德军掷弹兵和步兵在突击炮兵和工兵的支援下，突破到红串防御的前沿。梅伦廷写道：
在进攻的第二天，我们遭到第一次挫折，尽管我们作了种种努力，部队过是无法突破俄军的防线。“大德意志”师（一个很强的师，拥有约一百八十辆坦克），编成密集队形进行冲击，它的正前方就是沼泽，因而遭到俄国炮兵的猛烈轰击一工兵未能准备好适当的渡口，许多坦克成了红军航空兵的牺牲品——在战斗中，尽管德国空军占优势。但俄国飞机作战英勇顽强。甚至在德军第一天攻占的地域内，俄国人不知从哪儿突一然昏出来，因而“大德意志”师的侦察部队不得不去对付他们。7月5日夜间到7月6日底起未能渡过溪流和沼泽。
在左翼，坦克第3师对萨维多夫卡的进攻，就象“大德意志”师对阿列克谢耶夫卡和卢恰尼诺的进攻一样，未能获得成功。整个地区到处都是地雷，而且拥军在整个防线上的防御，都得到配置在居高临下有利位置的坦克的支持。
整个库尔斯克地区的战斗打得很艰苦，而且一直没有间断过。经过一周激战之后，德国人得出结论。俄军的预备队是打不完的。到7月14日，比较精明的德国领导人，其中包括梅伦廷，都认识到，“德军进攻的时间表已经完全被打乱”。所以出现这种情况，原因很多。
在普罗霍罗夫卡周围的一次异常激烈的战斗中，德军装甲车辆和人员损失极其惨重。据苏方的记载，仅在一天的战斗中，德军就损失了三百五十辆坦克和一万名官兵。
突出部南侧的战斗也十分激烈，损失的严重程度便是证明。例如，坦克第19师坦克第73团，到进攻的第五天只剩下两个连了。步兵第332师损失了三千七百人，而坦克第6师也遭到重大伤亡，只剩下四十七辆坦克了。
就在这个时候，沃尔科夫和华西列夫斯基以最高统帅部驻当地代表的身份，命令西方方面军和勃良斯克方面军发动攻势。三天以后，即在7月15日，中央方面军向奥廖尔方向发起了进攻。
德军统帅部面临着一项紧急的决定，即是否将正向别尔哥罗德—库尔斯克方向进攻的部队后撤到它们原来的阵地。如在原来的阵地巩固下来，德军能指望利用在奥廖尔桥头堡作战的部队之一部。因此，7月16日，德军坦克第4集团军和“战斗”特遣集团军，在强大的后卫部队掩护下开始撤退。