7月9日，南面苏军发起了反攻，此时德军已被引入防御圈，并付出了惨重代价。同时，在突出部的北面，莫德尔的第9军只向波涅里推进了六英里，然后被迫于7月11日夜间停止进攻。北面的苏军7月12日发起反攻。第47装甲军原把巨大的“斐迪南”式自行火炮当作战场致胜法宝，但没有料到其还有一个致命缺陷。虽然这些庞然大物装甲厚重，但其上没有装配机关炮，面对奋不顾身向前冲来的苏军士兵，它们就力不从心了。苏军利用火焰喷射器，从坦克通风口向内喷射火苗，把里面的人员全部烧成灰烬。在库尔斯克会战头两天的战斗中，70辆“斐迪南”式自行火炮就损失了40辆。这种可预见的设计缺陷导致灾难发生。后来，这些自行火炮都装配了机关炮以抗击盟军在意大利安齐奥登陆。

苏军攻打库尔斯克北面的奥廖尔的“库图佐夫”行动，迫使克鲁格将四个师从第9装甲军的先头部队撤出，这大大减少了德军突破库尔斯克防线的机会。“库图佐夫”行动由波波夫领导的布良斯克方面军和索科洛夫斯基的西方方面军展开，朱可夫将这两方面军用在了最佳时机。这样，在“卫天作战”开始一周之时，朱可夫取得了有利地位，把莫德尔阻截在北面，又在南面拖住霍特，可以派遣其精锐的后备力量，即罗特米斯特洛夫将军麾下的第5近卫坦克军的793辆坦克迎战第48装甲军和党卫军将军豪塞尔的党卫军第2装甲军，当时这两支军队正奋力度过顿涅茨河，奔袭铁路枢纽，希望从侧翼包抄瓦图京部，从东北方向直扑库尔斯克。

这就是7月12日星期一长达八小时的普罗霍罗夫卡坦克战，梅伦廷将之描述为“第4装甲军真正的死亡之旅”。由于数据来源不同，还有政治和宣传方面的原因，加上战役的地理范围存在争议，普罗霍罗夫卡战役中参战坦克数是个复杂的历史问题，但是最贴近事实的估计应是苏军600辆坦克对抗德军的250辆坦克。如将当日普罗霍罗夫卡和雅科夫列沃村两地并未参加战斗的部队计算之内，则德军坦克数量为900辆对抗近900辆苏军坦克，的使此次战役成为历史上规模最大的坦克战。

双方数百辆坦克和自行炮在普罗霍罗夫卡铁路枢纽交火，扬起了漫天沙尘，淹没了这块只有20平方英里的战场。T-34和某些KV坦克需要近距离打击更为庞大的德军坦克—尤其为了使“虎”式坦克上88毫米火炮无法发挥作用—甚至有的苏军坦克有意猛烈撞向德军坦克。这场惨烈而忙乱的近距交战中，德国空军无法为坦克提供足够的支援。库尔斯克会战中，苏军首次能够出动比德国空军更多的飞机，再加上此次战役其他特点，胜负已判。此次战役的确证实：苏军已做出调整并从1941年的大溃败中吸取了教训，尽管如此，党卫军第2装甲军在普罗霍夫卡的混战中让对手遭到了更加沉重的破坏---苏军坦克部队伤亡过半—但此时这已无关紧要。此次战役，事实上双方各有伤亡，但战役打到这个阶段，未能取得实质性突破，对德军来说犹如灾难，付出惨重代价而取得的胜利对第三帝国而言毫无用处。德军在接到撤退命令前仍然坚守阵地，不过此时“卫城”作战仍以失败告终，突出部得以保全，再无被“剪除”之忧。德意志国防军在普罗霍罗夫卡激战之后受到重创，再无力发起新一轮的大举进攻。

7月13日，希特勒将曼施泰因和克鲁格召到拉斯腾堡，发出命令结束“卫城”作战。三天前，盟军已在西西里登陆，党卫军第2装甲军一部，都必须立即开赴意大利战场，发布命令容易，但执行起来难度不小。曼施泰因相信，既然朱可夫将机动后备部队以第5近卫坦克军的番号展开作战，这场攻势应该进行到底。但他的观点被希特勒驳回。到7月23日，南方集团军群被迫退至发起“卫城”作战之前的阵地。8月3日，科涅夫麾下新建的草原方面军接管了英勇而疲惫的沃罗涅日方面军阵地，小规模的局部混战一直持续到8月17日，德军从南面穿越奥廖尔基地退至“哈根”防线，苏军继续向南推进，再次收复哈尔科夫。曼施泰因于8月23日放弃该城，退到第涅伯河沿岸。为争夺一座城市而展开四次独立的血腥战斗足以说明东线战场的战争本质，苏军第四次收复哈尔科夫时，沃罗涅日方面军和草原方面军伤亡达25万人。纯粹从伤亡角度看来，同期在西西里发生的各次战斗相比较而言那显得微不足道。

在持续两个月的库尔斯克会战中，估计德军有50万人伤亡、被俘或失踪，另外损失了3000辆坦克、1000门大炮、5000辆机动车和1400架飞机。苏军人员损失比上一年减少一半，阵亡75万人，但是德军撤离普罗夫卡说明德军已经战败。因此，科涅夫形象地将库尔斯克战役描述为“德国装甲部队的最后绝唱”。库尔斯克战役的胜利极大地鼓舞了苏军士气，同时也大大挫伤了德军士气。朱可夫和苏联国防委员会选取的反攻时机和地点都恰到好处。朱可夫在库尔斯克战后并没有采取立即扩大反攻范围的战略，以免引发德军的反反攻，这一策略在许多军事院校中被当做经典战例加以援引。丘吉尔写道：“库尔斯克、奥廖尔和哈尔科夫的三场大型战败，宣告了德军在东线战场的覆败。”