Затем пришла очередь удивляться советскому командованию. Согласно его планам, между демонстративными атаками и началом операции «Румянцев», основной целью которой являлось наступление на Харьков, должна была существовать оперативная пауза продолжительностью в десять дней, которых нацистам должно было бы хватить для переброски резервов в район боевых действий. Однако, пока советское командование выжидало, разведка предоставила ему такие сведения, которые заставили его изменить свои планы в еще большей степени. Партизаны, которые действовали в районе Брянска, сообщили о том, что немцы возводят вокруг города новую линию обороны и что они свозят в город боеприпасы из расположенных под Орлом временных складов передового базирования. Получалось так, что противник готовился оставить Орловский выступ, а ведь именно это и являлось главной целью операции «Кутузов», которая должна была начаться вслед за наступательными действиями операции «Румянцев». На самом же деле группа армий «Центр» не получала от Гитлера никаких приказов на подобный отход. Ее командующий генерал-фельдмаршал Гюнтер фон Клюге отдал приказ начать подготовку рубежа, названного им «Линия Хагена», поскольку он и командующий 9-й армией генерал Модель пришли к соглашению об отводе войск. Такой отвод в значительной степени сократит немецкую линию обороны и позволит оперативно привлекать большее количество резервов. Однако для Сталина подобный отход обозначал, что 2-я танковая армия и 9-я армия выскальзывают из ловушки, которую он приготовил им. Это никак не устраивало Сталина, и он приказал немедленно начать операцию «Кутузов».
Согласно исходному плану операции «Кутузов», по Орловскому выступу предполагалось нанести концентрические удары с севера, с юга и с востока. На северном фасе выступа прорыв осуществляла 11-я гвардейская армия с приданными ей двумя танковыми корпусами, которые имели в своем составе более 700 танков и почти 4 300 орудий. В дополнение к этим силам советское командование планировало бросить на расширение прорыва свою только что сформированную 4-ю танковую армию, однако последняя все еще была в пути и не могла быть включена в измененный график боевых действий. На восточном участке для нанесения прямого удара по оперативному построению противника изготовились действующие в составе Брянского фронта 3-я и 63-я армии; развитие успеха обеспечивалось последующим введением в бой 3-й танковой армии с ее 730 танками. Ну и наконец, на южном фасе было сосредоточено еще три армии и 2-я танковая армия, которая вводилась в бой вслед за ними. Всего советское командование готовилось бросить в бой против немецких сил на Орловском выступе 750 000 солдат, собранных в 67 дивизий, и 2 300 танков.
Немецкая оборона состояла из трех пехотных корпусов 2-й танковой армии, которые имели в своем составе 14 дивизий, и 5-й танковой дивизии непосредственной поддержки. За ними была развернута 9-я армия Моделя, в составе которой находились два полнокровных танковых корпуса. Кроме того, фон Клюге имел еще пять танковых дивизий в своем глубоком оперативном резерве.
Воздушная разведка смогла установить перемещение советских войск в восточном направлении, и благодаря этому немцы получили возможность как-то предупредить надвигающуюся атаку. Однако части, обороняющиеся на северном фасе, такой возможности не имели.
Операция «Кутузов» началась 28 июня. В соответствии со своей обычной практикой советское командование выдвинуло вперед разведывательные батальоны, с тем чтобы установить слабые звенья в немецкой системе обороны и внести корректировку по направлениям удара. В дополнение к этим действиям Сталин развязал «рельсовую войну». Тысячи партизан, вооруженных взрывчаткой, подрывали железнодорожные пути, ведущие к выступу и выходящие из него. Совершенные ими более 10 000 тысяч взрывов на железных дорогах расстроили транспортные коммуникации немцев, и, как надеялся Сталин, заперли немецкие армии в выступе и обрекли их на гибель под концентрическими ударами его атакующих войск.
Ранним утром 29 июня 11-я гвардейская армия перешла в атаку в своей полосе наступления. Сосредоточив для удара по пятнадцатикилометровой полосе немецкой обороны почти все имеющиеся у нее танки и артиллерию, наступающие как водопад обрушились на немецкие позиции, опрокинув и уничтожив два пехотных полка и те 40 танков, что защищали этот рубеж обороны. Несмотря на контратаку, которую провела 5-я танковая дивизия, части, которые участвовали в атаке, смогли углубиться почти на 10 км в немецкую оборону, немногим не дойдя до ее второй линии.
Однако на востоке наступление Брянского фронта оказалось гораздо менее успешным. Обороняющиеся части немецкой армии, усиленные противотанковыми подразделениями из резерва корпуса, смогли отбить первый удар 3-й и 63-й армий и уничтожить более половины имевшейся у них бронетехники. Неся тяжелые потери, советская пехота не смогла продвинуться более чем на 3 км в глубину обороны противника. На следующий день командование ввело в бой I гвардейский танковый корпус, но и его тоже остановила вязкая система немецкой обороны, а когда с целью блокировать прорыв сюда прибыли 2-я и 8-я танковые дивизии, движение корпуса было остановлено окончательно.
На второй день наступления 11-я гвардейская армия ввела в бой I и V танковые корпуса и продолжила развивать свой успех. К 1 июля на этот участок фронта прибыли три немецких танковых дивизии (12-я, 18-я и 20-я), которые имели задачу остановить наступление русских. Но в силу того, что продвижение войск на востоке было остановлено, успех наступления на Западном фронте работал против самого себя, поскольку оказались открытыми фланги наступающих. Массированная контратака немецких танков разбила V танковый корпус и грозила отсечь все войска, участвующие в прорыве. Советское командование ответило на это, бросив в возникшую брешь 50-ю армию, но это были не те мобильные силы, которые необходимы для выполнения поставленной задачи. 4-я танковая армия по-прежнему находилась на маршруте следования.
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.
Наступление на юге, которое было запланировано Жуковым, замедлилось. В должный час оно было начато одновременной атакой с двух сторон, но оказалось практически бессильным преодолеть немецкую оборону. Однако ввод в бой дополнительных сил вбил клин между немецкими армиями и повлиял на их способность справиться с критической ситуацией. Пехотинцы Жукова на несколько дней увязли в боях в районе населенных пунктов Грайворон и Борисовка, пытаясь окружить и уничтожить подразделения пяти немецких пехотных дивизий. Контратаки, проведенные 11-й танковой дивизией и дивизией «Великая Германия», создали проходы в кольце блокады, благодаря чему оказалось возможным вывести из окружения большую часть войск, несмотря на то, что этому очень мешал сильный артиллерийский огонь наступающих советских армий.
Операции по выводу войск из окружения у Борисовки не дали немцам своевременно принять меры для отражения наступающих танковых армий, но они же привели к тому, что 1-я танковая армия вела наступление при минимальной поддержке пехоты. 10 июля две мотострелковые дивизии — 1-я дивизия СС «Лейб-штандарт Адольф Гитлер» и 2-я дивизия СС «Дас Рейх» — пошли в контратаку на лишенные прикрытия головные части атакующих советских войск в районе Богодухова. На следующий день 3-я танковая дивизия и 10-я танковая бригада, которые имели на вооружении 200 новых танков «Пантера», ударили по боевым порядкам советских войск с противоположного фланга. В этом бою новые танки показали, что если у них ничего не сломано, то по своим тактико-техническим характеристикам они превосходят танки противника, действовавшие против них. Слишком многие из этих танков оказались непригодными к бою из-за технических неисправностей. Тем не менее эти две атаки во фланг обеспечили разгром 1-й танковой армии и незадолго до наступления 40-й армии, которая сама ударила во фланг 3-й танковой дивизии, нанесли серьезный урон танковому корпусу.