Aunque se ha considerado siempre que la batalla se produjo el día 12 se ha visto que se desarrolló entre los días 9 y 15. La Luftwaffe y las unidades de artillería bombardearon las posiciones soviéticas mientras que las 3 divisiones SS (Totenkopf, Leibstandarte y Das Reich) avanzaron, mientras que al otro lado de la brecha, el III cuerpo cruzaba el río Donetz por el puente de Rzhavets. Como se dice más arriba, no fue solo el día 12, pero sí fue éste día cuando se produjo el clímax de la batalla. Zhukov planeó lanzar al 5º Ejército de carros de la Guardia contra los más de 400 carros y piezas autopropulsadas del II cuerpo de ejército Panzer SS. En aquella situación se utilizaron los carros de combate de una forma que nunca antes ni después ha sido vista, dando como resultado numerosos choques entre grupos de blindados; los más de 500 carros de combate (la mayoría de los cuales eran T-34/76 del modelo C, D ó E, aunque se podían contar algunos KV-1 así como T-70 y otros modelos del programa de Préstamo y Arriendo acompañados por cañones autopropulsados) se lanzaron contra las filas de carros alemanes sorprendiéndolos, ya que no esperaban un ataque de esa magnitud, en una situación así, tanto los Pz.IV como los Tiger (hay que decir que este último modelo no operó en grandes cantidades, poco más 30, si es que los había en tal número) perdieron parte de su ventaja, ya que eran un blanco vulnerable para los cañones de 76,2 mm de los carros soviéticos que en determinadas situaciones conseguían acercarse más de la cuenta, perforándolos igual por delante que por los lados, sin embargo, los pesados carros alemanes causaron gran número de bajas.
La batalla se prolongó durante todo el día seguida al mismo tiempo por una fiera batalla aérea entre ambos bandos, que luchaban para ganar el espacio aéreo con el fin de de socorrer a sus tropas en tierra. Al combate salieron los Stukas, tanto los modelos de bombardeo, como los anti-tanques, armados con dos cañones de 30 mm bajo las alas. También los soviéticos aportaron gran número de aviones, sobre todo los temibles Sturmovik, armados en unos casos con cañones de 23 mm y en otros con dos de 37 mm, cohetes y bombas contracarro, siendo estos últimos sustancialmente más versátiles que sus homólogos alemanes.
Durante todo el día, se hizo habitual ataques por parte de decenas de carros soviéticos acompañados por infantería, siendo rechazados, atacados tanto por piezas antitanque y cañones alemanes, así como por los Hs-129, armados con un cañón de 37 mm en la panza, quedando el campo de batalla repleto de carros incendiados. No obstante, en algunos casos se lograba penetrar en las filas alemanas, con fuertes bajas en ambos bandos, llegando al combate cuerpo a cuerpo, a los ojos de testigos que lucharon en esa batalla, llegó a tener dimensiones grotescas, el combate cuerpo a cuerpo no solo con los soldados contrarios, sino con los tanques, acercándose, por parte alemana, colocando minas magnéticas y por parte soviética, lanzando cócteles molotov.
Por la tarde el General Rotmistrov, al presenciar la situación de estancamiento, dio la orden de retirada dejando el terreno ganado a los alemanes, pues aunque había fracasado en aniquilar al II Cuerpo Panzer, sí había conseguido un objetivo de vital importancia; frenar a la punta de lanza formada por esas tres divisiones SS. Los ataques continuarían durante el día siguiente prolongándose hasta los días 15 y 16. Tras este encuentro entre el cuerpo de ejército Panzer SS y unidades del 5º Ejército de Carros de la Guardia, y por consiguiente un empate sin precedentes, más favorables a los soviéticos que a los alemanes, el ataque en dirección norte (hacia Kursk por la vía de Prokhorovka) fue detenido no porque Hitler hubiera comprendido la gravedad de la situación; es decir la pérdida de la iniciativa estratégica e ingentes cantidades de blindados y hombres, sino más que nada a causa del inicio de la ofensiva de Rokossovsky contra Orël, en el sector norte, cosa que complicaba aún más la situación.
De esta manera pues el terreno ganado por Walther Model, se perdió en poco tiempo, duplicándose la tarea de retirada, ya que se debía recorrer el doble de espacio, por lo que en el norte los combates continuaron, con el fin de causar el máximo número de bajas posibles a los soviéticos, y ganar tiempo. El General von Manstein se opuso a la cancelación de "Zitadelle", ya que creía que aún podían lograr la victoria haciendo un último esfuerzo, argumentando que el enemigo también estaba al borde del cansancio. Sin embargo, esta vez estaba errado, y no comprendería la gravedad de la situación, hasta días más tarde (véase Operación Kutúzov).
Tras la dura batalla, Hitler destituyó al General Paul Hausser, jefe del cuerpo de ejército Panzer SS. Las bajas alemanas contabilizan gran número de carros perdidos, sin embargo, no hay una cifra exacta, ya que parece que hay cifras para todos los gustos, desde 17 u 80 hasta 300, perdiéndose algunos Tiger, mientras que las bajas soviéticas fueron de más de 300 tanques, (casi todos del tipo T-34/76 C, D o E, ya que formaban el grueso de las fuerzas acorazadas).
Más al este, el III cuerpo Panzer de Kempf avanzaba con dificultades, es ésta una de las razones por las que los alemanes perdieron la batalla, ya que Kempf, a pesar de conseguir enlazar con el II Cuerpo Panzer, tardó demasiado, y en consecuencia, para cuando ya había llegado, era ya demasiado tarde, y la situación irreparable. Este destacamento, tuvo también su participación, y evitó en cierta medida que los soviéticos enviaran más unidades contra el II Cuerpo Panzer, ya que a causa de su pequeña penetración al sur este de Projorovka, los soviets tuvieron que enviar allí el grupo "Trufanov" de carros para frenar tal amenaza, debilitando sus reservas, y como se ha comentado anteriormente, evitando una situación más bien desastrosa para el II Cuerpo Panzer.
El 11 de julio los aliados anglosajones desembarcaron en Sicilia, lo que de alguna manera comprometía a las fuerzas alemanas acantonadas en Europa Occidental, sin tener ninguna gravitación sobre el Frente Oriental. Sin embargo, en el sector norte, tras empezar las ofensivas del día 12, los alemanes se vieron forzados a retirarse a sus posiciones iniciales liberando algunas de sus unidades para poder enviarlas inmediatamente a Italia, sin embargo, estas unidades no pudieron retirarse rápidamente, ya que aún exaustas de los terribles combates mantenidos en Kursk, tuvieron que marchar de manera precipitada a otro frente que estaba ya en erupción, el "Mius Front", donde el II Cuerpo aún tendría que realizar un sangriento contraataque para frenar la embestida soviética. A pesar de todo, en opinión del General von Manstein un esfuerzo final haría ganar la batalla, esta vez estaba totalmente errado, la situación era ya insostenible.
Los soviéticos pusieron en marcha sus planes anteriores a la Operación Ciudadela. El 15 de julio los ataques contra Orël comenzaron empleando todo el grupo de ejércitos del Frente Central (ver Operación Kutúzov). Los alemanes se retiraron a la línea de partida. Ésta era la primera vez que había habido un avance soviético veraniego en buenas condiciones. Al sur, las tropas que estaban más castigadas no pudieron iniciar el contraataque hasta el 3 de agosto, tomando Bélgorod, y el 23 liberando Járkov de manera definitiva.
La batalla fue una victoria para los soviéticos aunque habían sufrido bajas no mucho mayores que los alemanes. Éstos últimos, sin embargo, no podían reemplazar los hombres y el material con la misma facilidad que los soviéticos. Los alemanes nunca recuperaron la iniciativa después de Kursk, y el Ejército Rojo continuó su avance sin parar hacia Berlín. Las bajas alemanas fueron más de 56.000 muertos sin contar los heridos, perdiendo la mayoría de sus tanques y dejando al ejército nazi en una notable inferioridad frente al soviético. Las pérdidas soviéticas fueron 70.000 muertos y 110.000 heridos.
