当沃罗涅日方面军取得重大胜利时，草原方面军相对却没有那么顺利。8月3日8点，草原方面军所属第53集团军和第69集团军第48步兵军发起进攻。当面德军部署有第11军的第168、106、198步兵师。每师平均防御正面宽度16公里。
红军也尽力集中优势兵力，将第53集团军（77000人、302辆战车）主力投入对1个德国师的攻击。但德军在这个地区的防御体系十分完善，红军的炮火袭击未能取得很大成效。加上缺乏坦克支援，直到当天15时，草原方面军的推进仍然相当缓慢。
草原方面军司令科涅夫对战局颇为焦虑。他在接收草原方面军前，指挥着西北方面军，却在6月23日被斯大林一纸命令解除了职务，结束了他第三个方面军司令员的任期。官场上的屡屡失利，使科涅夫对这第四个方面军司令员职务尤其重视。为了加快进攻速度，他在下午将第1机械化军提前投入战斗，得以突破德军主要防御地带，推进到别尔哥罗德以西的拉科沃北面。到3日日终时，草原方面军主力突入德军防线8公里。第1机械化军推进15公里。
科涅夫将军
8月4日，草原方面军第53、69集团军沿着别尔哥罗德—哈尔科夫公路向前推进。稍晚些时候，第7近卫集团军也加入了攻势。当天的战斗缓慢而艰苦。在红军前进道路上，德军拥有坚固的防御体系，并以第6装甲师一部分兵力，以及第168、198步兵师实施顽强抵抗。
经过激战，红军当天突破了别尔哥罗德以北德军的第二、三防御地带，但科涅夫的主要突击力量—第1机械化军—依然无法从侧面迂回德军。科涅夫深感坦克力量不足，遂向朱可夫求援。8月4日晚，草原方面军得到了从第5近卫坦克集团军转来的第5近卫机械化军支援。
科涅夫随后进行了重新部署。第53、69集团军将从北面和正面，第7近卫集团军从东面进攻别尔哥罗德。而新到的第5近卫机械化军，则从西南面迂回别尔哥罗德。
此时，处于防守地位的德第11军状况很差，一线各师损失严重。可立刻用以反击的部队，只有第167步兵师残部（原隶属于第4装甲集团军，由于战线被割裂而转隶第11军），约500名疲惫的步兵，重型武器损失殆尽；第6装甲师残部，10辆可用坦克；用以支援第168步兵师的1个“虎”式坦克连和1个强击火炮连，合计25辆坦克强击火炮。而红军攻击部队却包括150辆坦克和得到强大炮火支援的众多步兵。但德国人事先在别尔哥罗德地区布满了地雷，各居民地都构筑了环形防御阵地。别尔哥罗德城外，挖了长达10公里的反坦克壕，埋设了5万个地雷。
1943年8月，落入红军之手的一辆“虎”式重型坦克
8月5日，经过凶猛炮火轰击后，草原方面军向别尔哥罗德发起总攻。晨6时，苏第69集团军冲入别尔哥罗德城。首先入城的部队包括第89近卫步兵师第270团，第305、375步兵师。城内展开了激烈巷战，大街很快被3000多具德军尸体所填满。第7近卫集团军也强渡北顿涅茨河，从东面逼近别尔哥罗德。
城外，德军依托坚固阵地进行了顽强抵抗，却无法阻止红军第53集团军第1机械化军切断别尔哥罗德—哈尔科夫公路和铁路线；而第5近卫机械化军也从南面实施迂回，严重威胁着德军后方。为了防止被包围，曼施坦因下令放弃别尔哥罗德并撤往哈尔科夫。
11时30分，苏第94近卫步兵师第288团在别尔哥罗德电站大楼升起了红旗。18时，第69集团军和近卫第7集团军攻占了别尔哥罗德。
进攻中的苏军T-34坦克群。前方是一辆1941型，后方则是1943型
根据斯大林的命令，为了庆祝收复别尔哥罗德和同一天奥廖尔的解放，于1943年8月5日24时在莫斯科以120门礼炮齐鸣12响。这是苏德战争中，苏联人第一次用鸣放礼炮来庆祝胜利，此后这成为一种惯例。
战斗进行到8月5—7日，德军在别尔哥罗德—哈尔科夫突出部内所面临的形势已相当危险：短短3～4天战斗，德军一线各步兵师就已经被打得七零八落，全部4个装甲师都被投入交战并蒙受重创。但德军未能阻止沃罗涅日方面军来自北面的致命推进，托马罗卡被红军占领，3～4个师因此陷入包围并被逐渐吃掉，没有被包围的部队如第167步兵师也只剩下一个空架子；红军草原方面军则夺回了别尔哥罗德。
苏联人为此付出的代价也不轻微。8月6日，科涅夫和朱可夫向斯大林联名上书，承认仅第69集团军就需要补充2万新兵。红军坦克部队在进攻德军坚固抵抗枢纽时的损失也相当严重，还有大量战车因为技术故障而退出了战斗。
不过总的来看，这个阶段的成果还是足够令俄国人满意了。他们立刻着手下一步攻势：瓦图京的沃罗涅日方面军将从西面迂回哈尔科夫。科涅夫的草原方面军则从正面攻击该城。如果顺利，红军将在这里吃掉曼施坦因南方集团军群的左翼重兵集团。
有趣的是，直到这个时候，已经在战役中获得初步胜利的沃罗涅日方面军和草原方面军才向斯大林汇报了他们的具体战役计划，并在8月6日和8日获得批准。这种先作战，再计划的模式，在苏联方面倒不是很罕见。
几乎同时，德国方面也在策划如何遏制红军。因为没有及时预测到这次攻势，曼施坦因多少显得有些惊慌。他在“城堡”行动尾声时还乐观地认为苏军已经山穷水尽，现在却惊呼“敌人对‘城堡’行动中所受损失的补充速度超过了我们的预料”（须知苏军的休整补充和准备总共只用了10天），并要求得到强力增援。
8月8日，曼施坦因向来访的陆军总参谋长蔡茨勒表示，要稳住战局，只有两个办法：或者放弃顿涅茨盆地，将当地的部队用来加强哈尔科夫和第聂伯河方向；或者从其他战区抽出20个师增援这一地区！
曼施坦因的两个要求都是天方夜谭：且不论顿涅茨在经济上对德国是否重要，仓促间放弃这么一大片坚固阵地，对整个东线的稳定和连贯所造成的后果都是不可想象的。更何况德军在第聂伯河地区也没有防线可以依托：由于高层的互相扯皮，直到8月12日才正式下令构筑这一防线，而完成时间预定为11月中旬；在东线到处吃紧的情况下，20个师的援兵更是无从抽调。
虽然曼施坦因的要求无法全部满足，德军还是将尽可能多的部队增援到了哈尔科夫地区。8月4日，第3装甲军和原党卫军第2装甲军主力开始由顿巴斯调往哈尔科夫方向。8月5日，第3装甲师已经抵达哈尔科夫南部，并将在第二天进入前线。同时赶来的还有“帝国”师。8月9日，“骷髅”师也将进入战区。陆续抵达的还有“维京”师，来自奥廖尔方向的“大日耳曼”师，第10装甲步兵师等等。为了保住哈尔科夫，总计9个师（6个装甲和装甲步兵师），12万人，600辆战车（可用约280辆）的庞大增援部队从南北两面聚集过来。
两名红军士兵在被击毁的德国强击火炮旁分享香烟
连同这些兵力，德军到8月20日前，一共在哈尔科夫—别尔哥罗德方向投入了30个师（10个装甲和装甲步兵师），参战陆军兵力达到43万人，战车总数1200辆。其中几个武装党卫军装甲步兵师，“大日耳曼”师，第503重型坦克营，第51、52坦克营，先后投入了100辆左右甚至更多一些的“虎”和194辆“黑豹”重型坦克！曼施坦因再次把东线乃至德国最好的装甲部队和最好的坦克投入交战。
但在德军反击前，苏军的战线还在向前推进。而在被德国人放弃的别尔哥罗德，苏联人却第一次领教了曼施坦因的“焦土”政策。这个政策比党卫军头子希姆莱1943年9月7日发布的在乌克兰实行毁灭的命令更早执行，而内容却别无二致：抢走一切，毁灭一切。早在7月29日，德国人就着手把别尔哥罗德全城人口掠走，并炸毁了几乎所有的工厂和设施，破坏了几乎所有的建筑。留给红军的只有一片废墟瓦砾、150个居民和5万颗地雷。但也留下一个似乎是引导红军追上去复仇的路标：距离哈尔科夫80公里！(www.xing528.com)
德军在别尔哥罗德—哈尔科夫地区的防御兵力：
（笔者综合整理，依据《库尔斯克1943—数据分析》、《库尔斯克—德国视角》，曼施坦因回忆录《失去的胜利》、《集团军战役》附录地图。部分网站资料。作战序列曾多次变化）
8月20日，第4装甲集团军，第8集团军，合计30个师（5个装甲师，5个装甲步兵师）。不含此后增援部队，如第34步兵师（隶属第24装甲军）
第4装甲集团军
第52军（8月16日）：第57、112、255、332步兵师
第7军（8月16日）：第68、75、88、323步兵师
第24装甲军：第10装甲步兵师（8月20日后增加第34步兵师）
第51、52坦克营
第11、19装甲师（8月21日隶属第48装甲军）
8月24日第8集团军战斗序列（不含舟桥建筑部队）：
直属：第560重型坦克歼击营
第48装甲军
第130炮兵司令部，第127工兵营
第7装甲师，“骷髅”师，“大日耳曼”师
第3装甲军
第10装甲旅司令部，第503坦克营，第3炮兵司令部，第52迫击炮团第2营，第674工兵团司令部，第627工兵营
第223步兵师，党卫军“维京”师
第11军
第54迫击炮团，第1训练迫击炮团，第48、7炮兵团，第411炮兵司令部，第393强击火炮连
第198、106、320步兵师，党卫军“帝国”师，第3装甲师，第167、168步兵师
第42军
第8突击营，第99、107炮兵团，第228、905强击火炮营
第282、39、161、355步兵师，党卫军骑兵师，第6装甲师
第293步兵师（配属不详）
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