1943年初，苏军在斯大林格勒战役中取得了决定性胜利后，乘胜进攻，收复大量失地，但德军在溃败的同时，南方集团军群司令曼施坦因元帅也开始计划向苏军反扑。他主动放弃了一些重要据点，诱使苏军深入，苏军在不断进攻中，战线越拉越长，而德军却趁机完成了兵力的集结。2月19日，曼施坦因指挥刚组建的南方集团军群向顿涅茨河和第聂伯河之间的苏联西南方面军发起反击，至3月2日，西南方面军遭到了重创，其第5集团军遭到了毁灭，3月6日，德军开始向哈尔科夫进攻，3月14日，苏军被迫放弃一个月前刚刚攻占的哈尔科夫，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，此外第21和第64集团军也被从斯大林格勒调至这些方向，此后，战线趋于稳定。
曼施坦因的这次反击造成的一个后果就是以库尔斯克为中心的突出部的形成。在其北部，德国中央集团军群控制了奥廖尔一带。在其南面，曼施坦因的南方集团军群控制了别尔哥罗德地区。在突出部内的是苏联中央方面军和沃罗涅日方面军。苏德双方在此形成僵持，一场规模宏大的战役即将展开。
德军兵力及部署：
中央集团军群所属的莫德尔上将的第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。
在突出部的中部是德中央集团军群的第2集团军，9.6万人，他们在这个攻势中，将起辅助作用，主要任务是保持突出部南北的德军间的联系。
在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个师部署在上述各突击集团的翼侧。第4、第6航空队的航空兵负责支援陆军。这样德军的进攻总兵力达到90余万人，火炮和迫击炮约1万门，坦克和自行火炮2700辆，飞行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”火炮，以及“福克沃尔夫190A”式战斗机和“汉克尔129”式攻击机。
苏军兵力及部署：
苏联T-34/85坦克在库尔斯克突出部北部，正对着德中央集团军群方向的是罗科索夫斯基的中央方面军，包括第70、第13、第48、第60、第65集团军以及第2坦克集团军，总兵力达71.1万人，1.1万门大炮和迫击炮，1,785辆坦克和自行火炮。由于苏军认为强大的德中央集团军群会担当此次德军的主攻，苏军在这个方向的力量也是最强的，朱可夫元帅也亲自在此坐镇指挥。
在库尔斯克突出部南部，面对德南方集团军群的是瓦图京的沃罗涅日方面军，下辖第6、第7近卫集团军、第40、第38、第69集团军、第1坦克集团军以及步兵第35军，总兵力62.5万人，8,718门大炮和迫击炮，1,704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，它的任务是当前方两个方面军形势吃紧时，向它们提供增援，而一旦库尔斯克防线被德军突破，它将成为最后一道防线，而当苏军转入反攻时，它将提供新鲜的兵力。该方面军辖第4、第5近卫集团军、第27、第47、第53集团军、第5近卫坦克集团军、第3、第5、第7近卫骑兵军、第4近卫坦克军、第1、第3近卫机械化军。总兵力为57.3万人，8,510门大炮和迫击炮，1,639辆坦克和自行火炮。
这样苏方三个方面军对德国第9和第2集团军、第4装甲集团军和肯普夫集群在兵力上占2.4比1的优势，在坦克上占1.9比1的优势。此外，索科罗夫斯基的西方方面军、波波夫的布良斯克方面军以及西南方面军的第57集团军和第2坦克军也被部署到了库尔斯克地区，以应付随时可能出现的复杂局面。
在军工方面，到了1943年，搬迁到远东的苏联军火工业终于开始达到并超过战前水平，同时英美等西方的援助也开始大量抵达。
战役开始：
一个个被认为德军可能发动进攻的日子都平安地渡过了，两个月来前线显得十分平静，时间到了7月4日夜，在突出部南部的苏近卫第6集团军捕获了德军第168步兵师的一个士兵，他供认德军即将在第二天开始进攻，7月5日凌晨，在突出部北部的苏第13集团军俘虏了一个德军德国第6步兵师的中士，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，苏军于5日凌晨率先向德军阵地实施了炮击，库尔斯克会战的序幕由此拉开。
南线：
苏军的炮击完全出乎德军的意料，造成很大损失，虽然比原计划推迟了3个小时。但德南方集团军群的第4装甲集团军仍然按部就班地发起了进攻。在损失36辆坦克后，德军艰难的越过了苏军的反坦克雷区，猛攻苏第67近卫步兵师的防线，面对德军3个师的进攻，苏第67近卫步兵师难以低挡被迫后退，瓦图京于是把方面军预备队调了过来，以期能把德军挡在第二道防线外。但不幸的是德军还是于6日在苏军第二道防线上打开了一道缺口，并强渡了佩纳河。
由于德军的进攻比预计的要猛烈的多，瓦图京被迫取消了原定于7月6日的反攻，而将计划用于反攻的第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。这一天，德国空军出击了超过1000架次，完全压制住了苏联空军。经过一天激战，双方都受到了很大损失。
在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，阻止德军在库尔斯克突出部南部的突破。在7日的战斗中，德军只向前推进了数公里，未能达成突破苏军防线的任务。第二天，德军仍然顽强地继续他们的攻势，而瓦图京也在计划反攻，为此他向最高统帅部请求把草原方面军的第5近卫坦克集团军和第5近卫集团军调给他指挥，他的请求很快就被批准了，但这些部队需要几天的时间才能到达。在制空权的争夺上，通过7、8两日的空战，苏联空军也逐渐扭转了劣势，完全夺取制空权只是时间问题。
7月9日是库尔斯克会战关键的一天，瓦图京指挥部队继续在正面抵挡德军向奥博扬推进，同时在两翼连续发动反击，虽然这些反击一次又一次的遭到失败，但却使德军无法全力以赴的攻击他们的主要目标。德第4装甲集团军司令霍斯将军见无法从正面突破奥博扬，便决定先从右翼突破，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，德军的进攻还比较顺利，他们攻到了普罗霍罗夫卡城下，库尔斯克会战的高潮－普罗霍罗夫卡坦克大战上演了。
战后很长时间，史学家们一直认为在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因此被认为是人类战争史上最大规模的坦克战，并闻名于世，成为一个传奇。随着时间的推移，大量资料的解密，尤其是冷战的结束，前苏联资料的公开，使得研究者们发现这次坦克大战的规模要比原先认为的小得多，双方直接参战的坦克和自行火炮也只有约600辆。其中德军不到200辆，苏军约400辆。7月12日晨，战斗打响，苏德双方几乎是同时发动了进攻，开始时，德军“虎式”坦克的88毫米炮优势明显，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，因此苏军坦克开足马力以最高速度冲向德军。希望能接近德军的坦克，发挥T-34机动性的优势来战胜笨重的“虎式”坦克。在冲锋过程中，苏军坦克付出了惨重代价。当双方接近后，战斗变得更加惨烈，坦克一辆一辆地被摧毁，但在被毁的坦克旁，双方的坦克兵仍在互相射击，甚至互相肉搏。战斗一直持续到傍晚，最后因双方都精疲力竭才停了下来，而战场上到处都是坦克残骸和尸体。
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，而随后源源赶到的苏军援兵使他们的防线将更加坚固。
北线：
在北线，苏军的炮击也使德军的进攻比计划推迟了2个半小时，在几十分钟的炮火准备和空中轰炸之后，德第9集团按计划开始了进攻。
莫德尔为了把苏军的注意力从德军的主攻方向上引开，先在左翼以3个步兵师实施佯攻，但被苏军阻止住了。在主攻方向，德军集中了4个装甲师和3个步兵师的兵力，经过激烈的战斗，他们突破了苏第13集团军的第一道防线，艰难地向前推进了5公里。但在两翼，苏军顽强地守住了阵地。在地面激战的同时，双方的空军也在进行激战，这一天德军出动了1000架多次，苏联空军也出动了600余架次。双方战至5日终了时，德军只向前突破不足10公里，却至少损失了70辆坦克。
第二天，罗科索夫斯基开始发动反击，莫德尔也把预备队投入战场，于是一次大规模坦克战展开了。经过激战，苏军的两个坦克旅遭到重创，损失了约70辆坦克，德军一路乘胜前进，杀到苏军第二条防线前，但被苏第17近卫步兵军以及赶来增援的苏第17坦克军阻止住了。
7月7日凌晨，德军再一次发动了进攻，企图夺取交通枢纽波内里，战斗是异常激烈，德军数次攻入市区，但都被顽强的苏军赶了出来，而苏联空军经过激战，夺取了库尔斯克北部地区的制空权，从此给德国地面部队以很大威慑。
战斗到7月8日，德军虽给苏军造成很大损失，但苏军依靠数量上的优势，坚守住了阵地，在波内里城内，德军付出惨重的代价后，占领了大半个波内里，但苏军仍控制着市内一些重要据点，使用德军无法继续推进。7月9日莫德尔以300辆坦克向苏军阵地发动了最后一次进攻，结果仍然是一无所获，此时德第9集团军的攻击能量已耗尽，莫德尔被迫在10日转入防御。
根据1943年1月卡萨布兰卡会议精神，英美联军于1943年7月10日，在意大利西西里岛实施登陆作战。由于意大利的局势的变化，德国在该地区的兵力无法抵御西方盟军的进攻，同时，库尔斯克会战不仅看不到胜利的希望，而且在奥廖尔突出部的德第9集团军有被切断后路，重蹈斯大林格勒德军覆灭的危险。希特勒决意终止“堡垒”计划，抽调东线的兵力去意大利。7月13日他召集克鲁格、曼斯坦因等人到他的 “狼穴”总部开会，宣布这一决定，由于中央集团军群现在糟糕的局势，克鲁格赞同希特勒的决定，但曼斯坦因则强烈地反对，他认为苏军已是强弩之末，只要多坚持一下德军就能取得胜利。基于对曼斯坦因的信任，希特勒虽然终止了“堡垒”计划，但他同意曼斯坦因继续在南线进攻。
但曼斯坦因对苏军实力的判断是相当错误的，其多次进攻均未能达成目标，而此时库尔斯克北部以及意大利的局势却日益恶化，这促使希特勒最终取消了进攻，德军于7月17日开始后撤，到23日，双方基本恢复了交战前的态势。
苏军的进攻
奥廖尔战役
苏军的进攻率先在库尔斯克北部发起，当德军在的攻势在7月10日被阻止后，苏军决定于12日发动进攻，并以打败拿破仑入侵的俄国元帅“库图佐夫”的名字作为此次战役的代号。12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。德军则进行着顽强的抵抗，给苏军造成重点伤亡。15日罗科索夫斯基大将指挥苏中央方面军的第70、第13和第48集团军也加入攻击。
此时苏联空军也完全控制了制空权，法国“诺曼底”航空大队也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，莫德尔无力阻止其进攻，他意识到失去奥廖尔只是时间问题。7月16日，莫德尔向希特勒请求放弃奥廖尔将德军后撤至“哈根”防线，但被希特勒否决。到了7月25日，墨索里尼下台，意大利退出战争的迹象已经十分明显，希特勒需要从东线抽调兵力去意大利，而奥廖尔突出部的德军也面临被苏军合围的危险。在莫德尔和克鲁格再一次请求后撤后，希特勒最终同意弃守奥廖尔，并调第2党卫装甲军去稳定意大利的局势。
7月31日德军向布良斯克方向的“哈根”防线撤退，撤退途中，德军实行了残酷的焦土政策。8月5日苏军攻克了奥廖尔，并继续追击退却中的德军，10日解放了霍特涅茨，15日进入卡拉切夫，至16日苏军的进攻基本结束，战线逐步稳定了下来。
在奥廖尔战役中，苏军歼敌20万人，坦克1044辆，火炮2402门，并向西推进了150公里，拉平了库尔斯克防线，但却未能完成战前制定的合围并歼灭德中央集团军群的计划，同时苏军的损失也是巨大的，伤亡429,890人，损失坦克2,586辆，火炮892门，飞机1,104架。
别尔哥罗德—哈尔科夫战役
在南线，当德军在7月23日和苏军脱离接触时，斯大林便要求苏军立刻发动反攻，但朱可夫认为经过连续的艰苦战斗后，在发动攻势前，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在8月3日，这次作战的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90万人和2,800多辆坦克和自行火炮。而此时曼斯坦因还认为苏军已经濒临崩溃，取消“堡垒”作战是错误的决定。这使得德军对苏军的进攻完全没有准备。
8月3日凌晨5点，苏军近万门大炮齐鸣，大量炮弹倾卸到德军阵地上，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10～15公里。 在随后几天的战斗中，德军的防守异常地顽强，苏军的坦克虽然继续向前突破，但步兵却被德军缠住，进展缓慢。至8月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第255、第332步兵师和第19装甲师的退路，等待他们的命运将是被歼灭。但被围德军仍拼死抵抗，正是由于他们的顽强抵抗为曼斯坦因将德军主力从别尔格罗德撤往哈尔科夫赢得了时间。5日苏军收复别尔格罗德，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。
在6、7两日，由于苏军坦克队前进很快，而步兵忙于清除被包围的德军，苏军的坦克部队和步兵已开始脱节了。曼斯坦因希望抓住苏军这个弱点，他开始有计划的撤退以赢得时间来集结兵力，等苏军进攻能量逐渐消耗后，实施反击。此时瓦图京对形势十分乐观，他认为德军已到了崩溃的边缘，他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。
8月11日德军已经集结完毕，并补充了充足的弹药和燃料，曼斯坦因开始反攻，而此时苏军的坦克部队仍处于追击状态，各部队之间分散很广，而步兵和炮兵仍在后方，且经过多日激战，弹药和燃料都已严重不足，更重要的是苏军对德军的进攻未有察觉。苏军正在重犯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近卫坦克集团军的及时赶到，避免了第1坦克集团军的全军覆灭。12日在德军的进攻下，苏军被迫后退，随后苏第六近卫集团军的第六坦克军在14日被德军包围遭到惨败。
战斗到8月17日，双方都遭受了巨大损失，德军的反击虽然给苏军以重创，但曼斯坦因却没有力量进一步扩大战果，而苏军数量上的优势再次起到了决定性的作用，他们很快又恢复了进攻。其后德军的反攻再也没能给苏军造成威胁。19日苏军攻抵哈尔科夫西面的乌德河北岸，并于20日强渡乌德河，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近卫坦克集团军最后只剩下了50辆坦克。22日晚苏第53集团军率先攻入城内，德军开始全面撤出哈尔科夫，退向第聂伯河的防线，沿途他们破坏了所有公路、铁路和桥梁，污染了水源、焚烧一切农作物，毁坏了建筑物。苏军于23日收复哈尔科夫。
别尔哥罗德—哈尔科夫战役中，苏军歼敌约20万人，自身损失也达255,566人，坦克1,864辆, 火炮423门，飞机153架。
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