紅俄軍的進攻率先在庫爾斯克北部發起，當德軍的攻勢在阻止後，紅俄軍決定發動進攻，並以打敗拿破侖入侵的俄國元帥“庫圖佐夫”的名字作為此次戰役的代號。紅俄軍向奧廖爾突出部的德軍陣地實施了長達兩個多小時的炮擊，隨後索科羅夫斯基上將的西方方麵軍和波波夫上將布良斯克方麵軍的一線部隊開始進攻。德軍則進行著頑強的抵抗，給紅俄軍造成重大傷亡。科索夫斯基大將指揮蘇中央方麵軍的第70、第13和第48集團軍也加入攻擊。
此時紅俄空軍也完全控製了製空權，法國“諾曼底”航空大隊也在庫爾斯克上空與紅俄空軍並肩作戰。麵對坦克和兵力都占優勢的紅俄軍，莫德爾無力阻止其進攻，他意識到失去奧廖爾隻是時間問題。莫德爾向統帥部請求放棄奧廖爾將德軍後撤至“哈根”防線，但被統帥部否決。奧廖爾突出部的德軍麵臨被紅俄軍合圍的危險，在莫德爾和克魯格再一次請求後撤後，布勞希奇元帥最終同意棄守奧廖爾，並調第2黨衛裝甲軍去穩定南方的局勢。德軍向布良斯克方向的“哈根”防線撤退，撤退途中，德軍實行了殘酷的焦土政策。紅俄軍攻克了奧廖爾，並繼續追擊退卻中的德軍，解放了霍特涅茨，進入卡拉切夫，紅俄軍的進攻基本結束，戰線逐步穩定了下來。
在奧廖爾戰役中，紅俄軍殲敵近9萬人，坦克500輛，火炮2402門，並向西推進了150公裏，拉平了庫爾斯克防線，但卻未能完成戰前製定的合圍並殲滅德中央集團軍群的計劃，紅俄軍的損失也是巨大的，傷亡429，890人，損失坦克2586輛，火炮892門，飛機1，104架。
在南線，當德軍和紅俄軍脫離接觸時，大胡子便要求紅俄軍立刻發動反攻，但朱可夫認為經過連續的艱苦戰鬥後，在發動攻勢前，紅俄軍應進行必要的補充和修整，這樣紅俄軍把進攻的日期最終確定，這次作戰的代號以七年戰爭中俄國名將“魯緬采夫”的名字命名。擔當此次進攻任務的是沃羅涅日方麵軍和草原方麵軍，總兵力為90萬人和2，800多輛坦克和自行火炮。
紅俄軍近萬門大炮齊鳴，大量炮彈傾卸到德軍陣地上，炮擊持續了兩多小時，最後以一陣喀秋莎火箭炮的齊射作為結束，隨後坦克和步兵開始發起攻擊。在炮擊中幸存的德兵無力阻擋紅俄軍的前進，紅俄軍很快就突破了德軍第一道防線，經過一天的戰鬥，紅俄軍各突擊集團平均向德軍縱深推進了10～15公裏。在隨後幾天的戰鬥中，德軍的防守異常地頑強，紅俄軍的坦克雖然繼續向前突破，但步兵卻被德軍纏住，進展緩慢。蘇第1坦克集團軍攻占鮑裏索夫卡切斷了托馬羅夫卡德第255、第332步兵師和第19裝甲師的退路，但他們僅以兩千人代價突圍，雖然師長殉職。他們的頑強抵抗和勝利突圍為曼斯坦因將德軍主力從別爾哥羅德撤往哈爾科夫贏得了時間。紅俄軍收複別爾哥羅德，占領德軍後方的後勤供應基地博戈杜霍夫，繳獲大量德軍物資和燃料。
由於紅俄軍坦克隊前進很快，而步兵忙於清除被包圍的德軍，紅俄軍的坦克部隊和步兵已開始脫節了。曼斯坦因希望抓住紅俄軍這個弱點，他開始有計劃的撤退以贏得時間來集結兵力，等紅俄軍進攻能量逐漸消耗後，實施反擊。此時瓦圖京對形勢十分樂觀，他認為德軍已到了崩潰的邊緣，他命令前線坦克部隊繼續進攻，切斷哈爾科夫至波爾塔瓦的鐵路線，阻止德軍逃脫。
德軍已經集結完畢，並補充了充足的彈藥和燃料，曼斯坦因開始反攻，而此時紅俄軍的坦克部隊仍處於追擊狀態，各部隊之間分散很廣，而步兵和炮兵仍在後方，且經過多日激戰，彈藥和燃料都已嚴重不足，更重要的是紅俄軍對德軍的進攻未有察覺。紅俄軍正在重犯5個月前在哈爾科夫戰役的錯誤。紅俄第1坦克集團軍的第49坦克旅和第17坦克團被德軍圍殲，由於第5近衛坦克集團軍的及時趕到，避免了第1坦克集團軍的全軍覆滅。在德軍的進攻下，紅俄軍被迫後退，隨後蘇第六近衛集團軍的第六坦克軍被德軍包圍遭到全殲。
雙方都遭受了巨大損失，德軍的反擊雖然給紅俄軍以重創，但曼斯坦因卻沒有力量進一步擴大戰果，而紅俄軍數量上的優勢再次起到了決定性的作用，他們很快又恢複了進攻。其後德軍的反攻再也沒能給紅俄軍造成威脅。紅俄軍攻抵哈爾科夫西麵的烏德河北岸，並於強渡烏德河，在南岸建立了橋頭堡。攻打哈爾科夫的戰鬥異常激烈，強大的蘇第5近衛坦克集團軍最後隻剩下了50輛坦克。紅俄第53集團軍率先攻入城內，德軍開始全麵撤出哈爾科夫，退向第聶伯河的防線，沿途他們破壞了所有公路、鐵路和橋梁，汙染了水源、焚燒一切農作物，毀壞了建築物。紅俄軍收複哈爾科夫。別爾哥羅德—哈爾科夫戰役中，紅俄軍殲敵約30萬人，自身損失也達255，566人，坦克1864輛，火炮423門，飛機153架。