Конфигурация курского выступа создавала потенциальную возможность окружения и последующего уничтожения Центрального и Воронежского фронтов. В случае успешного решения этой задачи военно-политическая обстановка кардинально менялась в пользу Германии. Для наступления на Курск Гитлер сосредоточил 50 дивизий, из них 16 танковых и моторизованных. Здесь впервые предлолагалось использовать в больших масштабах танки «Тигр», «Пантера», новые истребители «Фокке-Вульф-190».
Гитлеровское военное командование тщательно готовилось к проведению грандиозной операции под кодовым названием «Цитадель», которая должна была вернуть вермахту стратегическую инициативу, восстановить престиж Германии, подорванный поражением в Сталинграде.
Советское командование также готовилось к проведению летом 1943 г. крупной наступательной операции. Поначалу планировалось прорвать фронт противника на юго-западном направлении. Сил для этого у советской стороны было достаточно. После проработки разных вариантов было решено перейти к преднамеренной обороне, измотать наступающего противника, выбить его танки, а затем ввести в бой свежие резервы, перейти в наступление на всех фронтах. На направлениях главных ударов противника создавалась прочная глубоко эшелонированная оборона: восемь оборонительных полос и рубежей, насыщенных противотанковыми средствами. Позади Центрального и Воронежского фронтов создавался мощный стратегический резерв — Степной фронт. Было обеспечено превосходство над противником в людях в 1,4 раза, в артиллерии — в 1,9, в танках — в 1,2 раза. Никогда еще в одном месте не сосредоточивалось такое количество войск и техники.
Желая как можно лучше подготовиться к решающему сражению, Гитлер несколько раз переносил срок начала операции. Прошел май, затем июнь, начался июль, а на советско-германском фронте продолжалось затишье. Среди советских военачальников возникло опасение, что в ожидании немецкого удара можно упустить время. Командующий войсками Воронежского фронта генерал армии Ватутин предлагал отказаться от преднамеренной обороны и самим перейти в наступление первыми. Его предложение не нашло поддержки в Ставке.
В ночь на 5 июля 1943 г. немецкие саперы проделали проходы в минных полях, а танковые и пехотные дивизии уже вышли на исходные позиции. Но за полчаса до наступления на них обрушился удар советской артиллерии. Таким образом фактор внезапности был утрачен, что привело немцев в замешательство. Но с опозданием на несколько часов наступление все же началось. Противник стремился прорваться к Курску с севера и юга и окружить войска Воронежского и Центрального фронтов. На отдельных направлениях на советские позиции была брошена огромная масса танков (до 100 машин на 1 километр фронта). Наткнувшись на заранее подготовленную оборону, немецкие танковые дивизии понесли существенные потери, но прорвать ее не смогли.
12 июля в районе Прохоровки произошло крупнейшее в истории танковое сражение, в котором с обеих сторон приняло участие 1200 танков и САУ. Немецкое наступление было окончательно сорвано. Советские летчики в ожесточенных воздушных боях завоевали господство в воздухе, что обеспечило уверенные действия наземных войск.
После провала наступления на Курск немцы перешли к обороне, но удержать позиции не смогли. Начавшееся контрнаступление советских войск, в котором приняли участие пять фронтов, завершилось полной победой. Были освобождены Орел, Белгород и Харьков. За 50 дней Курской битвы было разгромлено 30 отборных дивизий противника, из них 7 танковых. Враг лишился 3 тыс. орудий, 1,5 тыс. танков, 3,7 тыс. самолетов и 500 тыс. солдат. Потери советской стороны в Курской битве также были очень велики: 254,5 тыс. убитых и 608,8 тыс. раненых, 1626 боевых самолетов, 5244 орудия и миномета, 6064 танка. Но то была цена победы, которая позволила Красной Армии прочно завладеть стратегической инициативой.
Гитлер надеялся остановить наступающие советские войска на Днепре, приказав создать на этой крупной водной преграде неприступный «Восточный вал». Стремительное наступление Центрального (командующий генерал армии Рокоссовский), Воронежского (командующий генерал армии Ватутин) и Степного (командующий генерал армии Конев) фронтов не дало возможности противнику планомерно отвести войска и организовать прочную оборону по Днепру. К концу сентября советские войска вышли «Днепру на 700-километровом участке и с ходу форсировали его, захватив несколько важных плацдармов на западном берегу. Здесь большую помощь войскам оказали украинские партизаны.
Все попытки гитлеровцев сбросить советские войска с захваченных плацдармов и восстановить оборону по Днепру не увенчались успехом. Особенно ожесточенные бои развернулись на киевском направлении. С октября 1943 г советские фронты, действовавшие на Украине, получили наименования: 1-й. 2-й и 3-й Украинские. 6 ноября части 1-го Украинского фронта под командованием Ватутина, проведя сложную перегруппировку войск, стремительным ударом освободили Киев — «мать городов русских».