蘇德戰場的南線，蘇軍的反攻確定在1943年8月3日，以曾經的俄國名將魯緬采夫的名字為作戰代號。進攻的蘇軍總計有90萬人、2800多輛坦克。而這個方向上的德軍只有18個師，其中有4個坦克師，總兵力約30萬人。蘇軍擁有絕對優勢。8月3日、沃羅涅什方面軍和草原方面軍，在西南方面軍的協同下，對別爾哥羅德-哈爾夫方向上的德軍發起反攻。
凌晨5點，蘇聯的萬門大炮齊鳴，炮彈如大雨般傾瀉到德軍陣地上，炮擊一直持續了兩個多小時，最后以喀秋莎火箭炮的齊射作為結束隨后坦克和步兵開始發起進攻，在遭到炮擊后的德國士兵已無力阻擋蘇軍的進攻，德軍的第一道防線被突破。經過一天的戰斗蘇軍各部隊向德軍縱深推進15千米。在之后幾天里、德軍雖然頑強地防守，但是蘇軍的坦克依然繼續向前突破，但是蘇聯的步兵卻被德軍拖住、進展緩慢。至8月5日蘇第1坦克集團軍攻占鮑里索夫卡，切斷了德第255、第332步兵師和第19裝甲師的退路。德軍已面臨被包圍的危險，但是德軍依舊拼死抵抗，他們如此的抵抗是為了曼斯坦因有足夠的時間將德軍主力從別爾哥羅德撤往哈爾科夫。
8月5日傍晚、蘇軍解放了別爾哥羅德。蘇軍繼續進攻，目標是烏克蘭第二大城市哈爾科夫在6、7兩日，蘇軍坦克隊快速前進，而跟隨在后面的步兵卻跟不上坦克的腳步，兩者逐漸脫節。曼施坦因希望抓住蘇軍這個弱點，開始在撤退中集結兵力，等蘇軍攻勢結束時實施反擊。蘇軍方面對形勢的判斷非常樂觀，都認為德軍已接近崩潰，命令前線坦克部隊繼續進攻，切斷哈爾科夫至波爾塔瓦的路線，阻止德軍逃脫。
8月11日。德軍的集結工作準備完畢，開始反攻。由于蘇軍的分散。步兵和炮兵都在坦克的后方，且彈藥和燃料也不能及時供應，蘇軍遭到德軍致命的打擊。11日晚蘇第1坦克集團軍的第49坦克旅和第17坦克團被德軍圍殲，第1坦克集團軍因第5近衛坦克集團軍的及時趕到才避免全軍覆滅。14日，蘇第6集團軍的第6坦克軍受到德軍的攻擊遭到慘敗。在這種形勢下，蘇軍只能戰術后撤。由于蘇聯在人員和武器上的絕對優勢，雖然遭到重創，但很快蘇軍又恢復了進攻。19日，蘇軍抵達哈爾科夫的烏德河，并且在20日就強渡烏德河。而希特勒也深知哈爾科夫的重要性，命令部隊誓死守住哈爾科夫。
蘇軍突破德軍的猛烈抵抗，已近逼哈爾科夫外圍防線，并在東面和東南面進抵哈爾科關近郊。強大的蘇第5坦克集團軍最后只剩下了50輛坦克，可見攻打哈爾科夫的戰斗有多慘烈。8月22日下午，蘇軍地面和空中偵察發現哈爾科夫的德軍有撤退跡象。于是草原方面軍司令員、蘇聯元帥科涅夫發出夜間強攻哈爾科夫的命令，不給敵人撤退的機會。22日晚、蘇第53集團軍率先攻入城內。第53、69集團軍、近衛第7集團軍、第57集團軍和近衛坦克集團軍，巧妙地繞過敵軍支援點，深入敵軍防御，從后方攻擊敵軍守備部隊。當夜、市內展開激烈的戰斗、火光沖天、爆炸聲連綿不斷。
德軍想死守哈爾科夫的的信念全無，開始全面撤出哈爾科夫，退向第聶伯河的防線。8月23日，蘇軍了收復哈爾科夫。哈爾科夫戰役中，蘇軍殲敵約20萬人，自身損失也非常慘重，士兵傷亡約26萬人，損失坦克1860余輛、火炮420余門、飛機153架。蘇哈爾科夫方向上的勝利，標志著庫爾斯克會戰的結束。庫爾斯克會戰是第二次世界大戰中規模最大的坦克戰。無論就其規模、慘烈程度還是對二戰的進程而言，它都是第二次世界大戰中最大的會戰之一。
