5 июля в 4.30 утра началось одновременное наступление немцев на фронтах обеих армий. 4 танковая армия Гота атаковала в направлении на Обоянь. К концу первого дня наступления дивизия «Великая Германия» вместе с 3 и 11 танковыми дивизиями прорвали оборонительные порядки Красной Армии в окрестностях Черкасского. 48 танковый корпус, двигаясь уступом, прикрывал левый фланг наступавших дивизий. Первые потери оказались чрезвычайно велики: на минных полях остались обугленные остовы 36 новых «Пантер» 10 танковой бригады. 2 танковый корпус СС — правое крыло немецкого наступления — получил приказ расчленить и уничтожить советские резервные части, дислоцирующиеся в оперативной глубине на северо-восточном направлении. В 04.00 саперы разминировали проходы в минных полях, и танки рванулись вперед. «Танковый клин» Гауссера представлял собой гигантский равнобедренный треугольник с тяжелыми Т-6 «Тигр» в вершине, средними Т-5 «Пантера» по флангам, далее уступом следовали стандартные Т-4 и модифицированные Т-3. К концу первого дня наступления танкисты СС прорвали первую линию обороны и вклинились вглубь выступа на 19 км. 52 гвардейская дивизия Красной Армии держала оборону в полосе наступления мотопехотной дивизии «Мертвая голова». После ожесточенных боев русские отступили, и к исходу первого дня Тотенкопф ворвалась в населенный пункт Яковлево, захватив командный пункт 69 советской армии. К вечеру второго дня эсэсовцы перерезали магистраль Белгород— Обоянь, пройдя за сутки еще 13 км. 8 июля дивизия вела бои за коммуникации при поддержке с воздуха оснащенными 37-мм противотанковыми пушками пикирующими бомбардировщиками 10–87 и прошла еще 16 км. Пехота безнадежно отстала. В ожидании подкрепления, 167 пехотной дивизии вермахта, танки Тотенкопф остановились на отметке 48 км. Советское командование предприняло попытку контратаковать правый фланг корпуса СС из района северо-восточнее Белгорода, но еще на марше бомбардировочная авиация люфтваффе практически полностью уничтожила 2 гвардейский танковый корпус генерала Ватутина. 10 июля дивизия «Мертвая голова» вышла к реке Псел. Наступил решающий момент операции «Цитадель». Советское командование бросило в бой оперативный резерв — дислоцировавшиеся в районе Прохоровки 5 гвардейскую танковую армию и две танковые бригады.
Лейбштандарт начал наступление из района южнее полосы наступления «Мертвой головы». Первая линия обороны была взломана без осложнений, но сразу же после этого темпы наступления резко снизились. Дивизия встретила ожесточенное сопротивление русских гвардейцев. Только за первые сутки боев лейбштандарт потерял 100 человек убитыми и свыше 500 ранеными. К исходу 2-х суток безвозвратные потери достигли 180 человек, а число раненых удвоилось. За 48 часов боя из строя выбыло почти 10 % личного состава дивизии. К вечеру третьего дня наступления из 200 «Пантер» на ходу осталось 40 танков. Утром четвертого дня наступления лейбштандарт подтянул резервы, перегруппировал силы и продолжил наступление на Тетеревино.
Дивизия «Рейх», сосед справа лейбштандарта, сравнительно легко преодолела первую линию русской обороны. Неприятности начались, когда внезапно хлынувшие потоки дождя превратили полосу наступления дивизии в танконепроходимую топь. 55-тонные «Тигры» и 43-тонные «Пантеры» вязли в непролазной грязи по самые башни. Оставшаяся без танков дивизия несколько снизила темпы, но при поддержке авиации штурмом взяла населенный пункт Березов — главную цель первого дня наступления, а после подхода танков продолжила выдвижение на северо-восток.
11 июля 2 танковый корпус СС форсировал Псел, а 12 июля у деревни Прохоровка состоялось крупнейшее танковое сражение кампании и всей войны. На поле боя шириной 10 километров сошлись около 600 танков Га-уссера и около 900 танков Ватутина. Солнце было за спиной русских, что невероятно затрудняло работу немецких наводчиков. У русских был лучший в мире средний танк Т-34, у немцев — лучшие экипажи второй мировой войны. Бой продолжался около 8 часов. Танки били прямой наводкой с расстояния несколько десятков метров, а когда кончался боезапас — шли на таран. К концу дня на вспаханном гусеницами поле остались догорать 300 немецких танков. Русские потеряли в этом бою 500 боевых машин. 13 июля танковый корпус СС продолжал отражать удары, а на следующий день занял Прохоровку.
13 июля 1943 г. Гитлер вызвал в Ставку Манштейна и Клюге и сообщил им о том, что принял решение прекратить проведение операции «Цитадель» в связи с обострением ситуации на Западном фронте и тактической неудачей группы армий «Центр». К этому времени 9 армия Моделя потеряла убитыми 20 000 человек и окончательно остановилась, едва продвинувшись вперед на 9 км. 17 июля ОКХ приказало немедленно снять с фронта и отвести в тыл 2 танковый корпус СС.