2 июля Центральный фронт начал свое наступление из глубины Курского выступа, послав в бой 13-ю, 48-ю и 70-ю армии. Даже на таком узком участке они натолкнулись на мощное сопротивление и едва смогли преодолеть первую линию обороны противника, столкнувшись с теми же проблемами, что и на Брянском фронте, расположенном севернее. В ожидании, когда ее пошлют в прорыв, 2-я танковая армия вынуждена была остановиться на открытом пространстве; удары с воздуха самолетов люфтваффе привели к большим потерям среди замерших в ожидании танков. Пехоте Центрального фронта потребовалось добрых два дня, чтобы проломить в немецкой обороне брешь, достаточно большую, чтобы в нее могла войти 2-я танковая армия. Когда она в конце концов вошла в нее, она тут же попала под высокоточный противотанковый огонь, который вели главным образом закопанные в землю противотанковые самоходные артиллерийские установки (САУ) «Элефант» 656-го отряда истребителей танков. В бою на дальней дистанции огонь этого вида оружия, которое представляло собой пушку калибром 88 мм, смонтированную на безбашенном танке, представлял смертельную опасность для танков. Только в одном бою XVI танковый корпус 2-й танковой армии потерял 150 танков, или 75 % своих машин, уничтожив при этом всего лишь три САУ противника. После таких потерь советские танки повернули назад, и в контратаке их стали преследовать уцелевшие танки немецкого XLVII танкового корпуса.
Советские войска штурмовали немецкую оборону в течение следующих пяти дней, но свежие и очень подвижные танковые дивизии практически безошибочно появлялись там, где возникала угроза, и ударами во фланг вынуждали советские войска переходить к обороне, защищая то немногое, что им удалось отвоевать. В эти же дни серьезное потрясение испытала служба разведки немецких войск: из данных аэрофотосъемки там стало известно о двух крупных танковых формированиях, двигавшихся к полям сражений под Орлом. Помимо этого, было замечено передвижение крупных армейских группировок к югу от Курска под Белгородом, и это несмотря на то, что наступление советских войск было отбито и на Миусе, и под Изюмом. Все это говорило о готовящемся новом наступлении русских. Стало очевидным, что советское командование оказалось способным собрать гораздо большую ударную силу, чем немцы когда-либо могли подозревать.
Операция «Румянцев» началась 3 июля наступлением советских войск на главном направлении удара. Планы советского командования, автором которых являлся сам Жуков, были просты и бесхитростны. На направлении главного удара он собрал почти пять полностью укомплектованных армий (5-ю и 6-ю гвардейские, а также 53-ю, 69-ю и часть 7-й гвардейской армии), поддержанных двумя танковыми армиями — 1-й и 5-й гвардейской. Через два дня после начала этого наступления нанесут свой удар две армии правого фланга; спустя три дня после этого должны будут ударить еще две армии на левом фланге. В целом к моменту принятия решения на трех советских фронтах — Воронежском, Степном и Юго-Западном — было сосредоточено 990 000 штыков, 12 000 орудий и 2 400 танков.
Этой силе противостояла 4-я танковая армия Готта и оперативная группа «Кемпф». Хорошо отдохнувшие пехотинцы заняли позиции на передовой, и непосредственную поддержку им обеспечила 7-я танковая дивизия. Немецкая оборона была глубоко эшелонированной — семь линий обороны защищало Харьков с севера и три линии с востока. Белгород, который находился на минимальном удалении от линии фронта, тоже защищало несколько линий обороны, а также многочисленные фортификационные сооружения. Поддержку пехоте обеспечивали высокоподвижные боевые формирования, которые готовились для участия в операции «Цитадель» — XLVIII танковый корпус и II танковый корпус СС. За исключением двух танковых дивизий, которые успешно отражали попытку прорыва русских войск на реке Миус, здесь в полном составе присутствовала группа армий «Юг». Кроме того, для уничтожения плацдарма русских под Изюмом, II танковый корпус СС временно направил туда 3-ю моторизованную дивизию СС «Мертвая голова». Но в целом немцы смогли вывести на поле боя только 350 000 штыков и около 900 танков.
Когда войска Жукова пошли в наступление, решающую роль сыграло неравенство в силах. В пять часов утра началось артиллерийское наступление, в 8 часов 00 минут пошла в бой пехота, и к полудню в первой линии немецкой обороны была пробита брешь шириною в 10 км. Для развития успеха в образованную брешь были введены обе танковые армии, и к концу дня они ушли примерно на 25 км в глубину немецкой обороны. Наступая, пехотинцы Жукова отставали от танкистов примерно на 15 км, поскольку им приходилось подавлять очаги немецкой обороны. Этот разрыв в рядах наступающих создаст благоприятную возможность, которая будет на руку фон Манштейну.
В то время когда разгорались ожесточенные бои на Харьковском направлении, Гитлер рассматривал предложение командования группы армий «Центр» о выводе войск с Орловского выступа. Как это много раз бывало с ним ранее, Гитлер первоначально хотел сказать этому предложению «нет», но тунисская катастрофа была еще слишком жива в его памяти. Из-за внезапного прорыва фронта под Харьковом ему приходится иначе распорядиться теми резервами, которые он мог бы использовать, чтобы удержать Орел. Четвертого июля Гитлер разрешил фон Клюге отступить к «Линии Хагена». Шестью днями позже, когда англичане и американцы захватили Сицилию, это разрешение превратилось в приказ, подлежащий немедленному исполнению.
На Северном направлении фон Клюге и командующие его армиями были вынуждены сдерживать постоянный напор русских и их танков, подходивших к передовой. К счастью для них, Сталин 'И его генералы упростили им эту задачу. Последние вводили танковые армии в бой отдельно, по мере их поступления, и это позволяло немцам маневрировать внутри своей системы обороны и поочередно отбивать атаки противника.
Первой на передовую пришла 3-я танковая армия, которая шла сюда с Восточного направления. Вместо того чтобы использовать успех, достигнутый 3-й и 63-й армиями, и развить тот неглубокий прорыв, который был сделан ими, генерал П. С. Рыбалко, который командовал этой армией, решил совершить свой прорыв. Атака, которую подразделения его армии совершили 6 июля, была в общем успешной. Внезапность и сила удара позволила его солдатам углубиться более чем на 11 км в оборону противника, однако потери в живой силе и в технике были высокими. Задачи на расходящихся направлениях, которые были поставлены, с одной стороны, Сталиным и его непосредственным фронтовым командованием, с другой стороны, вынудили Рыбалко разделить свою и без того уже ослабленную армию на две части. Эти приказы привели к тому, что 3-я танковая армия не смогла противостоять контратакам 2-й и 8-й танковых дивизий, каждая из которых, действуя самостоятельно, остановила продвижение обоих ее звеньев.
К тому времени, когда на фронт прибыла 4-я танковая армия, у советского командования уже не оставалось сомнений, что немцы выводят войска из выступа. Оно попыталось усилить натиск своих частей, чтобы запереть здесь как можно больше войск противника. Неосновные мобильные силы Сталина, а именно 2-я и 3-я танковые армии, оказались практически разбитыми: имея в своем исходном составе соответственно 450 и 730 танков, каждая армия располагала теперь не более чем 60 машинами. Преследование отходящего противника силами пехоты не имело необходимой скорости и в силу этого не могло быть эффективным. Поэтому получилось так, что 4-я танковая армия была отправлена в наступление практически без всякого прикрытия. В первый же день она попала в противотанковую засаду в виде расположенных в укрытии танков и штурмовых орудий и потеряла 50 процентов своих машин.
После того как потерял свою силу последний высокоподвижный резерв советского командования, немцы к 20 июля смогли завершить отвод своих войск и вывезти 53 000 тонн боеприпасов. Они уничтожили все сооружения, которые могли иметь военное значение, и, уходя, сожгли урожай зерновых. В активе советского командования оказалась огромная территория, освобожденная при проведении операции «Кутузов», но при этом было потеряно более 550 000 человек убитыми и ранеными и 80 процентов бронетанковой техники.