После 15-минутной артподготовки немецкая группировка была атакована основными силами 5-й гв. танковой армии. Несмотря на внезапность удара, массы советских танков в районе совхоза Октябрьский были встречены сосредоточенным огнём противотанковой артиллерии и штурмовых орудий. 18-й танковый корпус генерала Бахарова на большой скорости прорвался в совхоз Октябрьский, и, несмотря на большие потери, захватил его. Однако у пос. Андреевка и Васильевка он встретил танковую группировку противника, в которой было 15 танков «Тигр». Пытаясь прорваться через преграждающие путь немецкие танки, ведя с ними встречный бой, части 18-го танкового корпуса смогли овладеть Васильевкой, но в результате понесённых потерь не смогли развить наступление и в 18 часов перешли к обороне.
29-й танковый корпус вёл бой за высоту 252,5, где его встретили танки дивизии СС «Лейбштандарт Адольф Гитлер». В течение всего дня корпус вел маневренный бой, но после 16 часов был потеснен подошедшими танками дивизии СС «Тотенкопф» и с наступлением темноты перешел к обороне.
2-й гвардейский танковый корпус, наступавший в направлении Калинина, в 14:30 внезапно столкнулся с двигавшейся навстречу танковой дивизией СС «Дас Райх». В связи с тем, что 29-й танковый корпус завяз в боях за высоту 252,5, немцы нанесли 2-му гв. танковому корпусу удар в оголенный фланг и принудили его к отходу в исходное положение.
2-й танковый корпус, обеспечивавший стык между 2-м гв. танковым корпусом и 29-м танковым корпусом, смог несколько потеснить немецкие части, находившиеся перед собой, но попал под огонь подтянутых из второй линии штурмовых и противотанковых орудий, понес потери и остановился.
К полудню 12 июля немецкому командованию стало ясно, что фронтальное наступление на Прохоровку не удалось. Тогда оно решило, форсировав р. Псел, выйти частью сил севернее Прохоровки в тылы 5-й гвардейской танковой армии, для чего были выделены 11-я танковая дивизия и оставшиеся подразделения танковой дивизии СС «Тотенкопф» (96 танков, полк мотопехоты, до 200 мотоциклистов при поддержке двух дивизионов штурмовых орудий). Группировка прорвала боевые порядки 52-й гв. стрелковой дивизии и к 13 часам овладела высотой 226,6.