變，義大利國王和一些親英美的軍官逮捕了墨索里尼，這讓墨索里尼的統治立即土崩瓦解，並使得希特勒的決心產生了動搖。

5月11日，德軍南方集團軍群司令李默制訂了新的作戰計劃。至此，庫爾斯克會戰進入了關鍵的第二階段。

經過了數日的嚴重消耗。德軍的進攻銳勢已經減弱了一些，人員尤其是技術兵器損失百分之十左右，主要是部隊疲憊不堪。但他們當面的蘇軍沃羅涅日方面軍的處境已經更為不妙。瓦杜丁已經無法用卡圖科夫的第1坦克集團軍實施反衝擊，因為該集團軍早已掘壕據守無法撤出。為此蘇軍統帥部極不請願的調草原方面軍的第5近衛坦克集團軍和扎多夫的第5近衛集團軍前去支援沃羅涅日方面軍。

5月12日；羅特米斯特羅夫指揮的蘇軍第5近衛坦克集團軍。強行軍二百多英里後到達樸羅霍羅夫卡地區。這時，第2黨衛軍裝甲軍正從該地向東突擊以便重新尋找機動空間。於是在這一地區爆發了一場大規模的坦克戰，關於這場坦克會戰由於戰爭雙方不切實際的宣傳已經成為了一個傳奇，似乎蘇德兩軍動用了1300輛（門）坦克、強擊火炮和自行火炮進行鏖戰。

德國方面，豪謝爾將軍率領的德國黨衛軍第2坦克軍團的火力是253輛坦克和三百多門突擊火炮……其中包括8輛作為戰利品的t…34型坦克。而蘇軍直接參戰的是第5近衛坦克集團軍的第18和29坦克軍，按照其編制推定至多擁有800多輛左右的坦克和七百多門強擊火炮。

從數量上看蘇軍大約擁有2：1的優勢，本來蘇聯的坦克在數量上有很大的優勢，但由於蘇聯的相關人員。尤其是機械師和駕駛員的訓練水平相對較低，直到1940年年底，他們的實習時間只有5到10小時，而當時熟練駕駛坦克要求的時間至少要25小時，這種情況到了1941年也沒有得到根本好轉。因此雖然德軍坦克在數量上處於劣勢，但他們依舊可以依靠優秀的戰術和人員較高的操作水平取得對蘇軍的巨大優勢。

事實就是這樣，蘇軍士兵剛穿上軍裝，有點文化的全部去當技術兵種，坦克兵就是其中之一，他們還沒有熟練駕駛坦克。就這樣被匆忙送上了戰場，5到10小時的練習時間？這樣的坦克兵能戰鬥？好吧！狂熱計程車兵能戰鬥，損失也同樣是巨大的。

5月12日早晨6時30分。在猛烈的航空兵火力準備之後，蘇德兩軍在樸肖爾河和鐵路路基之間一塊狹長的地域上展開了激戰。由於德軍擁有坦克質量上的優勢，並且其指揮官在指揮藝術上水平較高，戰鬥剛剛開始蘇軍便遭受到了嚴重的損失，一輛一輛的蘇軍坦克被打成了燃燒的篝火。

但蘇軍坦克依舊依靠著數量的優勢發起一波連著一波的攻擊。此時，豹式坦克的88毫米炮又發揮了巨大的威力，許多蘇軍的t…34/56和t…50型坦克尚未接近德軍坦克便遭到了毀滅性打擊。戰鬥進行的異常殘酷，許多失去坦克的官兵甚至持著輕武器進行對射……

戰鬥連續進行了數天，第5近衛坦克集團軍聲稱德國約有300輛坦克被摧毀。這根本是天方夜譚，因為德軍根本沒有300輛坦克。而根據美國華盛頓特區國家檔案館的一份德軍秘密檔案顯示：1943年5月13日，ss…2裝甲軍在這場戰鬥後尚有163輛可以戰鬥的坦克。僅僅損失了48輛。1984年的一本蘇第5坦克集團軍二戰史記載，該軍在12日的戰鬥後就損失坦克就有400輛之多（這個數字可能包括未參與樸羅霍羅夫卡之戰的坦克）。

儘管書中並沒有記載蘇軍損失的坦克數量，但這一數字已足以證明，蘇軍在這場戰鬥中付出了巨大的代價。儘管德軍取得了巨大的戰術優勢，但由於蘇軍的抵抗依舊較強和德軍坦克彈藥油料的短缺，使得德軍再次延緩了進攻。

幾乎與此同時，遠在左翼的克諾貝爾斯道夫的第48裝甲軍還在繼續與奇斯佳科夫的第6近衛集團軍和卡圖科夫的第1坦克集團軍進行交戰。儘管蘇聯坦克的損失很大，德軍自己坦克的損失數量也讓他們感到難以承受，而更麻煩的是蘇聯的突擊力非但沒有減弱而且似乎還在不斷增強。這些蘇軍在斯大林的嚴令下，一波一波地發動反突擊，他們的屍體擺滿了整個戰場，無數坦克和火炮的殘骸在戰場上隨處可見。

戰至5月14日傍晚，情況已經十分清楚，蘇軍的反擊徹底破產了。由於蘇軍使用了大量兵力兵器實施的猛烈反衝擊，使德軍的彈藥消耗十分嚴重，損失當然也是有一些的。德軍人員傷亡倒不算太大，而技術兵器尤其是坦克的損失是驚人的。