1943年7月11日，根据新战术，为了摸清德军的真实前沿位置，苏军加强营在10分钟火力急袭掩护下实施了战场侦察。大部分红军火炮在进攻前两个昼夜已经进入发射阵地，直瞄火炮则在进攻前夕进入。
1943年7月12日晨，根据前一天的最后侦察结果，红军开始为实施“库图佐夫”战役进行火力准备。布良斯克方面军第3、63集团军从2时开始动用4000门火炮迫击炮；西方方面军左翼则从3时20分开始炮击。凶猛的炮击持续了2小时40分钟。6～7架一群的苏联强击机也从空中对德军阵地实施压制！
6时零5分，苏西方方面军和布良斯克方面军发起攻击。在炮火准备结束前20分钟，苏军坦克和步兵就开始向前运动。冲击开始后，随着红军步兵距离敌方堑壕越来越近，炮兵也不断加快射击速度，以徐进弹幕射击护送步兵冲锋。苏联人指望通过这种方式，使德国人无法判断红军炮火准备的结束时间，因而不能及时从掩体内爬出来迎击红军步兵，使苏军可以突然冲入德军堑壕。此后这种战术在朱可夫的建议下，开始在苏军步兵和炮兵团中普及。
在空军密切协同下发动进攻的苏军坦克集群
通过新战术，西方方面军在奥廖尔北部的进攻最初颇为顺利。主攻的巴格拉米扬第11近卫集团军以6个近卫步兵师，3个坦克旅、2个坦克团组成第一进攻梯队，攻击德军第211、293步兵师防守的14～16公里正面，很快就击溃了对手的2个步兵团并取得突破。下午，第11近卫集团军第二梯队（4个步兵师，1个坦克旅）开始扩大突破口。而第1、5坦克军也向前移动，准备投入战斗。傍晚，第5坦克军（184辆坦克和自行火炮）进入突破口，很快就推进了10公里。
1943年7月1日第2装甲集团军坦克实力（单位：辆）
为了阻止红军继续前进，德国人投入了第5装甲师。该师有102辆坦克，包括76辆Ⅳ号长身管。通过猛烈反击，该师将红军坦克部队暂时遏制在德军第二条防线前。
7月13日14时30分，巴格拉米扬把第1坦克军也投入战斗。连同第5坦克军，苏联人汇集了300多辆坦克，终于克服第5装甲师的抵抗，突破了德军第二条防线。早晨，红军第50集团军也在第11近卫集团军右侧发起进攻。当日日终，苏军得以在23公里正面推进15公里。
在德第2装甲集团军的中部战线，红军第61集团军对德第53军第208、34步兵师发动了进攻。苏联人最初投入了第12、76、77近卫步兵师，13日又投入了第20坦克军。但德军也派来了第112步兵师和第9集团军援派的第12装甲师，顶住了红军的攻势。
红军布良斯克方面军的进攻也不怎么顺利。此前一周，德国无线电截收部门、空中和地面侦察获得的情报，以及战俘和逃兵的口供都暴露了红军的进攻企图。根据这些情报，奥廖尔以东布防的德第35军军长伦杜利克估计当面红军第3、63集团军，将从他的第262步兵师阵地寻找突破口。(www.xing528.com)
伦杜利克指挥的是德军的奥地利部队。拥有4个步兵师（不含预备队），第一线共部署了24个步兵营，42个炮兵连。连同直属炮兵，一共拥有中重型野战炮192门。反坦克火力方面，除了制式37～75毫米反坦克炮外，还得到48门88毫米高射炮的支援。第655营的1个连“大黄蜂”重型坦克歼击车（安装超长71倍径88毫米炮）也被用来支援第35军。
这些部队部署在大约140公里正面上。为了重创红军进攻部队，伦杜利克决心最大限度集中兵力和火力。他在苏联可能进攻的诺沃西利约10公里地段，集中了6个步兵营，18个炮兵连，24门88毫米高射炮。其余130公里则仅仅部署了18个步兵营、24个炮兵连和24门88炮。
第35军的防御阵地由一个完整绵亘的堑壕体系构成。包括两道防线，即沿祖沙河的第一道防线和后方300米的第二道防线。直射距离达1000米的反坦克炮和火炮被配置在纵深，每个炮兵阵地周围都敷设了大量铁丝网和地雷，防御相当坚固。
行驶在奥廖尔街道上的德军强击火炮
在做好了一切准备后，伦杜利克依然颇为紧张。因为胜负全部寄托于他对红军进攻方向的判断上，一旦有误，德军将全盘皆输。但在7月12日清晨，红军果然向他估计的地区实施了猛烈的轰击。接着，苏军第3、63集团军的6个步兵师渡过祖沙河，向德第56、262步兵师发起进攻！虽然进攻方向不出伦杜利克所料，但红军进攻队形的密集依然令德国人震惊！
在大部队冲锋前，负责铰除铁丝网的苏联士兵
但这密集的红军队形一发起冲击，就陷入德军约70门105～150榴弹炮集中射击形成的巨大火网！德军的步兵炮、迫击炮和所有机枪步枪也相继吼叫起来！可是红军却不顾重大伤亡，继续冲击并成功地建立了登陆场。此后，苏联工兵顶着德军凶猛火力，在6小时内架起了渡桥。
下午，红军重型坦克在几乎没有步兵支援的情况下渡河猛冲过来，插入德军步兵阵地，并以炮火击毁了纵深内的3门88毫米炮。但德军剩下的21门88毫米炮，还有遍地的雷场，把这60辆Kv-1重型坦克逐个打瘫炸瘫！经过一天恶战，红军以重大代价夺占了德军第一道堑壕。
12日夜间，伦杜利克投入了预备队第36步兵师！第二天，红军也把第二梯队步兵师投入进攻。中午，第1近卫坦克军进入突破口。但德军增援的第8、2装甲师也在13～14日夜间抵达。前者是陆军总司令部预备队，后者则来自莫德尔的第9集团军。经过激烈的坦克战，红军的推进速度开始下降。靠着强大援兵的支援，伦杜利克得以迟滞当面红军。因为防御战中出色的表现，他在8月14日被提升为第2装甲集团军司令。
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