בצד השני, גם כוחות חזית וורונז' ספגו אבדות כבדות ביותר. ואטוטין הטיל את העתודות המשוריינות שלו לקרב בשלב מוקדם של המערכה, בניסיון לעצור את ההתקדמות הגרמנית. ארמיית הטנקים ה-1 וקורפוס המשמר המשוריין ה-5 תגברו את ארמיית המשמר ה-6 ותקפו את יחידות ארמיית הפאנצר הרביעית, בעוד קורפוס המשמר המשוריין ה-2 וקורפוס הרגלים ה-35 מעתודות החזית תגברו את ארמיית המשמר ה-7. כוחות השריון הסובייטיים תקפו שוב ושוב את הכוחות הגרמניים המתקדמים, בניסיון לכבוש בחזרה עמדות שולטות, וספגו אבדות כבדות מאוד מאש טנקים ותותחי הסער גרמניים (במיוחד מאש טנקי הטיגר, שתותחי ה-88 מ"מ שלהם יכלו להשמיד את הטנקים הסובייטיים מטווח של עד 2 ק"מ) וכן מתקיפות מהאוויר של מטוסי הלופטוואפה. כך למשל דיווח קורפוס הפאנצר אס אס ה-2 ב-7 ביולי, שבמהלך היום הושמדו בגזרתו 125 טנקים סובייטיים, ולמחרת היום דיווח הקורפוס על השמדת 290 טנקים נוספים. גם בהנחה, שהייתה הגזמה מסוימת בדיווחים הגרמניים לגבי אבדות הצד השני, ניתן ללמוד מהם לגבי חומרת האבדות שספגו כוחות השריון הסובייטיים במהלך התקפות הנגד הכושלות שלהם.
הפיקוד הסובייטי העליון, אשר חשש שכוחותיו של מאנשטיין יצליחו להבקיע את מערך ההגנה של חזית וורונז', נעתר לבקשתם של ואטוטין ושל ואסילייבסקי, נציג הסטבקה והורה כבר בליל 6/7 ביולי לחזית הערבה לשלוח שתיים מהארמיות שלה (ארמיית המשמר המשוריינת ה-5 וארמיית המשמר החמישית) לעזרת כוחותיו המותשים של ואטוטין. לאחר מסע מואץ של מאות ק"מ, הגיעו שתי הארמיות ב-9 ביולי לאזורי הערכות מאחרי חזיתו של ואטוטין, והיו מוכנות לבלום את המשך ההתקדמות הגרמנית. בנוסף לכך, העביר הפיקוד הסובייטי את ארמיית האוויר ה-17 מהחזית הדרום-מערבית, כדי לתגבר את הכוח האווירי של חזית וורונז'.
לאחר שני ימי הלחימה הראשונים הואט מאוד קצב ההתקדמות של כוחות קבוצת ארמיות דרום. במרכז הבליטה הגרמנית נבלמה התקדמות קורפוס הפאנצר אס אס ה-2 כמעט לחלוטין לאחר שנתקל בכוחות הדרג השני של חזית וורונז'. כוחות הקורפוס ספגו שורת התקפות נגד של כוחות השריון הסובייטיים, ועברו למגננה. באגף השמאלי של ארמיית הפאנצר הרביעית, הצליח קורפוס הפאנצר ה-48 ב-9 ביולי, לאחר מאמצים רבים, להדביק את הפער בינו לבין קורפוס הפאנצר אס אס השני, ליישר עימו קו, ולטהר את השטח שנכבש מכוחות סובייטיים. אולם הוא עדיין היה רחוק מהשגת יעדיו הראשוניים, חציית נהר פסל וכיבוש אובויאן. נסיגת הכוחות הסובייטיים התבצעה באופן איטי ומסודר, ויחידות הנדסה שעבדו בלילות, הטמינו כ-55 אלף מוקשים חדשים בנתיבי ההתקדמות המשוערים של הכוחות הגרמניים.
ב-9 ביולי בלילה הורו מפקד קבוצת ארמיות דרום, אריך פון מאנשטיין, והרמן הות, מפקד ארמיית הפאנצר הרביעית לכוחותיהם לחדש את המתקפה במטרה להשלים את הבקעת מערך ההגנה הסובייטי, ולפרוץ אל אזורי העורף של הכוחות הסובייטיים המגנים על בליטת קורסק. הפיקוד הגרמני לא היה מודע להימצאות שתי ארמיות מחזית הערבה מאחרי חזיתו של ואטוטין, ולכן העריך שהמתקפה הגרמנית החדשה לא צפויה להיתקל בהתנגדות משמעותית מצד כוחות שריון סובייטיים .
דיוויזיית טוטנקופף, באגף השמאלי של קורפוס הפאנצר אס אס ה-2, בסיוע דיוויזיית הפאנצר ה-11 מקורפוס הפאנצר ה-48, נועדו לצלוח את נהר פסל, ולנוע צפונה בכיוון אובויאן וקורסק. במקביל נועדו דיוויזיות הס"ס לייבשטנדרטה ודאס רייך לתקוף בכיוון צפון מזרח במטרה להשתלט על צומת מסילות הברזל בפרוחורובקה, בפיתחה שבין נהר דונייץ לנהר פסל.
בשעות הערב של ה-10 ביולי הצליחה דיווזית טוטנקופף לצלוח את נהר פסל ולהקים ראש גשר בגדה הצפונית של הנהר. ממזרח לה הצליחה דיוויזיית לייבשטנדרטה, לאחר יומיים של התקדמות איטית, להגיע בשעות הערב של ה-11 ביולי עד מרחק קצר מפרוחורובקה, כ-35 ק"מ מנקודת ההתחלה של המתקפה הגרמנית.
במקביל להתקדמות ארמיית הפאנצר הרביעית חידשה גם פלגת הארמייה קמפף את התקדמותה, במטרה לסייע למתקפה של קורפוס הפאנצר אס אס השני. היא נערכה מחדש ושינתה את מרכז הכובד של המתקפה שלה. שלוש הדיוויזיות של קורפוס הפאנצר ה-3 רוכזו באגף הצפוני של ראש הגשר, שנכבש על ידי כוחותיו של קמפף בגדה המזרחית של הדונייץ בימים הראשונים של המתקפה הגרמנית. הן תקפו לכיוון צפון במקביל לנהר דונייץ הצפוני (בעברו המזרחי של הנהר), והצליחו לחדור לעומק מרחב ההגנה האופרטיבי הסובייטי. ב-11 ביולי הואצה התקדמות הקורפוס וכוחותיו גמאו 15 ק"מ במהלך היום. ב-12 ביולי עם שחר כבשה דיוויזיית הפאנצר ה-6 ראש גשר בגדה המערבית של הדונייץ, ויצרה איום ממשי על האגף המזרחי של הכוחות הסובייטיים שניצבו מול ארמיית הפאנצר הרביעית. ב-12 ביולי היו הכוחות הגרמניים אמורים להמשיך במתקפה במגמה להשלים את הבקעת מערך ההגנה של חזית וורונז'.
קרב פרוחורובקה.
האיום שיצרה ההתקדמות הגרמנית המחודשת על יציבות החזית הסובייטית בדרום בליטת קורסק, והחשש מפני כיתור כוחות חזית וורונז' מעורפם, אילצו את הפיקוד הסובייטי להגיב במהירות. הוא החליט שהגיעה העת להטיל למערכה את שתי הארמיות הרעננות מחזית הערבה, שנשמרו עד אז בעתודה מאחרי חזיתו של ואטוטין. ארמיית הטנקים ה-5 וארמיית המשמר ה-5 ביחד עם הארמייה ה-69, ארמיית הטנקים ה-1 וארמיית המשמר ה-6 מחזית וורונז' נועדו להנחית מתקפת נגד סימולטנית על הכוחות הגרמנים, במטרה לעצור את התקדמותם ולהשמיד את הכוחות שחדרו לעומק מערך ההגנה הסובייטי. ארמיית הטנקים ה-5 בסיוע חלק מיחידות ארמיית המשמר ה-5 נועדה לתקוף את קורפוס הפאנצר אס אס ה-2, בעוד הארמייה ה-69 תוקפת את קורפוס הפאנצר ה-3, וארמיית הטנקים ה-1 בסיוע ארמיית המשמר ה-6 תוקפים את קורפוס הפאנצר ה-48. החשיבות שייחס סטלין לבלימת המתקפה הגרמנית ולמתקפת הנגד הסובייטית הייתה גדולה כל כך, עד שהוא הורה לשני המפקדים הבכירים של הצבא האדום, ז'וקוב וואסילבסקי, לטוס לגזרת פרוחורובקה, כדי לתאם באופן אישי את המבצעים של הכוחות הסובייטיים באזור.
ב-12 ביולי נערך באזור פרוחורובקה אחד מקרבות השריון הגדולים בהיסטוריה. לפי תיאור הקרב במקורות הסובייטיים, עליהם הסתמכו רוב המחקרים שעסקו בקרב (כולל המחקרים המערביים) עד העשור האחרון של המאה ה-20, השתתפו בקרב כ-850 טנקים סובייטיים, מולם התייצבו 500–600 טנקים גרמניים, כל הטנקים שנותרו לארמיית הפאנצר הרביעית. הקרב תואר כקרב היתקלות קלאסי בין שני כוחות משוריינים גדולים, שהסתיים ללא הכרעה. שני הצדדים היריבים איבדו מאות טנקים במהלך הקרב, אך האבדות הכבדות שספגו כוחות השריון הגרמניים סתמו את הגולל על התקווה, שעוד נותרה לפיקוד הגרמני, להשיג הכרעה צבאית במערכה על בליטת קורסק.
מחקרים עדכניים על קרב פרוחורובקה, המסתמכים על חומרים מהארכיונים הגרמניים והסובייטיים, שנחשפו לאחרונה, מעלים תמונה שונה לחלוטין על מה שהתרחש בו. היקף הכוחות שהשתתפו בקרב, לפחות מהצד הגרמני, היה קטן בהרבה ממה שהיה מקובל לחשוב, והחשיבות שיוחסה לתוצאותיו הייתה מוגזמת. למעשה, לא מדובר היה על קרב אחד, אלא על מספר קרבות שהתנהלו במקביל לאורך גזרה רחבה למדי. הכוח העיקרי שנטל חלק בקרב מהצד הגרמני היה קורפוס הפאנצר אס אס ה-2. הוא כלל פחות מ-300 טנקים ותותחי סער כשירים לתנועה, שרבים מהם תוקנו באופן חפוז לאחר שנפגעו במהלך הלחימה. מולו עמדה ארמיית הטנקים ה-5 המתוגברת, שכללה למעלה מ-800 טנקים ותותחים מתנייעים, מתוכם כ-650 נטלו חלק בלחימה באזור פרוחורובקה (חלק מיחידות הארמייה הופנו מזרחה, כדי לבלום את התקדמות יחידות קורפוס הפאנצר ה-3, שחצו את הדונייץ).
הקרב העיקרי התנהל סביב פרוחורובקה, שם תקפו שני קורפוסים משוריינים מארמיית הטנקים ה-5, שכללו כ-400 טנקים ותותחים מתנייעים, את דיוויזיית הוואפן אס אס לייבשטנדרטה, שכללה כ-70 טנקים ותותחי סער מבצעיים (כולל 4 טנקי טיגר). המתקפה הסובייטית החלה זמן קצר אחרי עלות השחר, הפתיעה את הגרמנים שעסקו עדיין בהתארגנות לקראת המשך המתקפה המתוכננת שלהם, ואילצה אותם לעבור למגננה. במקביל תקפו כוחות משני קורפוסי טנקים (מוחלשים), שסופחו לארמיית הטנקים ה-5 את דיוויזיית דאס רייך שהגנה על האגף הימני של קורפוס הפאנצר אס אס ה-2. דיוויזיית טוטנקופף באגף השמאלי של הקורפוס, ניהלה קרב קשה נגד כוחות מארמיית המשמר ה-5.
רמת התיאום בין כוחות הקרקע והאוויר של הצבא האדום הייתה גרועה, ובנוסף לכך כוחות האוויר שסייעו לכוחות הסובייטיים בגזרה הדרומית של בליטת קורסק, ארמיות האוויר ה-2 וה-17, התרכזו בעיקר בסיוע לפעילות ההתקפית בגזרת קורפוס הפאנצר ה-48, ולכן לא נתנו חיפוי מספק למתקפה של ארמיית הטנקים ה-5 על קורפוס הפאנצר אס אס ה-2. כוחות הלופטוואפה, ששלטו בשמיים מעל אזור פרוחורובקה, תקפו את ריכוזי השריון הסובייטי, שנחשפו בשטח הפתוח, וגרמו להם אבדות כבדות. בנוסף לכך חלק מהכוחות התוקפים נתקלו בדרכם בתעלת נ"ט (סובייטית) עמוקה, שעיכבה את התקדמותם, ונחשפו לאש נ"ט גרמנית בעודם מנסים למצוא דרך לעקוף/לחצות אותה. התקפות כוחות השריון הסובייטי היו כה עזות, עד שבמספר מקרים הצליחו טנקים שלהם לחדור דרך הקווים הגרמניים, ולתקוף את עמדות הארטילריה בעורפם, לפני שנהדפו לאחור. הלחימה התנהלה לעיתים בטווחים קרובים מאוד. בסופו של דבר נהדפו כל ההתקפות הסובייטיות לאחר לחימה עזה, ולקראת ערב נסוגו שני הצדדים לעמדות המוצא שלהם, כדי להתארגן מחדש.