俄軍首先由沒有參加過庫爾斯克會戰的生力軍西方方面軍左翼和布良斯克方面軍發起進攻。俄軍組成了第11近衛集團軍加強有第1、第5兩個坦克軍和第50集團軍；第11集團軍和第4坦克集團軍；第3、第63、第61集團軍；第1近衛、第20兩個坦克軍和第3近衛坦克集團軍四個突擊集羣，火炮密度達到了每公里二百門，第11近衛集團軍巴格拉米揚將軍從奧廖爾北部，第3戈爾巴托夫、第63科爾帕克奇兩個集團軍從東部突破了德軍的兩個防禦地段。俄軍的戰略企圖是首先殲滅在那裡防守的居於絕對劣勢的德國第2裝甲集團軍的第55軍第321、第339、第110、第296、第134步兵師，第53軍第211、第293、第208、第112步兵師及第25裝甲擲彈兵師，第35軍第34、第56、第262、第299和第36步兵師，集團軍預備隊第5、第8裝甲師以及第305、第707警衛師等德國部隊。
但俄軍的進攻準備並沒有瞞過精明的德國人，尤其是在奧廖爾南部的德第35步兵軍軍長洛塔爾#183;倫杜利克lotharrendulic少將準確地判斷了俄軍第3、第63集團軍的進攻線路，他將六個步兵營、十八個炮兵連，二十四門88mm高炮部署在俄軍的進攻地域，依託着廣泛而堅固的野戰工事，並以工程障礙物和雷場作爲掩護。因此雖然在兵力上俄軍佔有絕對優勢，但在倫杜利克將軍的頑強防守面前，進攻變成了一場災難。
俄軍六個師被德軍第56、第262兩個師攔截，德軍僅以損失兩門88mm高炮的代價就擊毀俄軍六十輛kv1重型坦克。在戰役發起的當天，蘇聯方面就不得不投入了第二梯隊的第11集團軍的步兵軍和薩赫諾將軍指揮的第5坦克軍，老練的倫杜利克少將也將預備隊第36步兵師投入到戰鬥中。不過在空戰中德軍失去了制空權，於是蘇聯的遠程航空兵和夜間航空兵進行了長時間，大規模地徹夜空襲，轟炸了德軍的防禦支撐點、火炮陣地、兵力集結點。
奧廖爾北部的德軍沒有這麼好運，俄國人採取了新的炮兵戰術，在炮火結束前二十分鐘步兵跟着彈着點前進了，巴格拉米揚將軍指揮的第11近衛集團軍很快地擊潰第一防線的兩個德國步兵團，撲向第二道防線。德軍投入了第5裝甲師有一百零二輛坦克，其中七十六輛是長炮管的四號坦克進行反衝鋒，與俄國的第1坦克軍、第5坦克軍這兩個坦克軍至少有四百輛坦克和自行火炮絞殺在一處。第11近衛集團軍第70坦克旅的第263坦克營在丘布科夫少校的指揮下，夜間突入了烏里揚諾沃市，“希特勒匪徒亂作一團，丟下武器奔逃。”然後這個坦克營又馬不停蹄地連續攻陷了三個村鎮，殲滅掉德軍的一個司令部。密集的炮火和強大而前赴後繼的突擊兵力暴風驟雨般襲來，到七月十三日黃昏時，奧廖爾北部德軍的防禦地幅已被突破，突破口達到了二十五公里之深。
七月十三日晚，莫德爾緊急向第2裝甲集團軍派出的援兵第2裝甲師，該師協同集團軍羣的預備隊第8裝甲師增援了倫杜利克將軍的防禦。七月十四日，希特勒解除了涉嫌謀反的第2裝甲集團軍司令魯道夫#183;施密特中將施密特中將是從莫斯科戰役之後就接替古德里安擔任此職的，他已於七月十日被逮捕，首先由克勒斯納步兵上將接替指揮的職務，將第2裝甲集團軍與第9集團軍合併，統歸莫德爾大將指揮。這種臨陣的人事變更給德軍的指揮造成了額外的困難。
莫德爾要求軍隊堅持到最後一個人，他發出了最著名的，也是最能代表他性格的呼籲，“士兵們，我將與你們在一起”並從南進集團中抽出四個師第2、第8、第12裝甲師；第112步兵師用以支援奧廖爾以北的戰鬥，他命令新增加的預備隊必須不分晝夜地機動。
七月十五日，奧廖爾登陸場的戰鬥異常激烈。“每前進一公里，進攻軍隊都要作出很大的努力，而且要有頑強的精神和戰鬥技能，中央方面軍右翼第43、第13、第70集團軍全部在前幾天的激烈防禦戰中受到很大削弱。敵人善於利用工事良好的地區進行頑抗，我軍轉入反攻進展緩慢，簡直是要一道道陣地鑽過去。敵人採取了機動防禦，一批部隊進行防禦，另一批便佔領距離五至八公里的新地區，敵人不斷地把剩餘的坦克部隊投入反衝鋒。”蘇聯羅科索夫斯基元帥回憶錄王牌的第505虎式裝甲營再一次大開殺戒，它僅用兩輛虎式坦克進行阻擊，在短短的一個小時之內就擊毀了三十二輛t34坦克而自身卻毫髮未損，但這種戰術勝利遠遠無法阻止全局的崩潰。
蘇聯空軍第16集團軍在司令員c#183;n#183;魯堅科空軍元帥和參謀長ii#183;n#183;布蘭伊科空軍上將的指揮下，每天完成一千架次以上飛行，德軍的高射炮完全被壓制，蘇聯轟炸機密集的突擊有力地支援地面的進攻，“諾曼底”飛行大隊的法國志願者飛行員用鐵血捍衛着俄國人的制空權，德國空軍完全被“清除”出作戰空域。見俄版軍事歷史雜誌1963年第7期第30頁
從北面實施進攻的俄國近衛第11集團軍前進了七十公里，前出到連接奧廖爾與布良斯克的鐵路線與公路線，把突破口正面擴大到將近五十公里，向縱深推進了六十公里，威脅到整個奧廖爾德軍突出部的補給線，莫德爾派出了第12、第18和第20三個裝甲師。德軍節節敗退，已無法阻擋俄軍潮水般的攻勢。北部德軍退回了進攻前的出發陣地。近衛第11集團軍像一把尖刀似地cha入德軍防線的後方，爲了阻止近衛軍團的繼續突破，莫德爾匆忙組建了一個戰鬥羣，轄第41裝甲軍、第53步兵軍，大德意志師、耶斯貝科戰鬥羣等部隊，由哈爾佩將軍指揮，這個龐大的戰鬥羣兵力最多時一度達到十七個師。哈爾佩將軍在莫德爾的提攜下後來擔任到北烏克蘭集團軍羣的司令。
蘇德雙方還在奧廖爾的上空展開着激烈的空戰，七月十六日、十七日空戰達到白熱化。
七月十八日，俄軍又增加了由b#183;m#183;巴達諾夫坦克兵中將指揮的第4坦克集團軍、第2近衛騎兵軍和帕維爾#183;謝苗諾維奇#183;雷巴爾科將軍指揮的近衛坦克第3集團軍的兵力，尤其是雷巴爾科將軍的這個集團軍就擁有七百三十一輛坦克和自行火炮。
一千多輛坦克和自行火炮組成的俄國坦克羣如狂飆般突進，銳不可擋，第12坦克軍迅猛地突入敵後。在古謝沃村旁邊的小樹林中，二十輛正在加油的德國坦克被突然出現的紅軍俘虜。七月二十日，德軍的重鎮姆岑斯克失守，守軍大部分就殲。不過到七月二十一日前，近衛第3坦克集團軍的突擊則被莫德爾將軍完全遏制了，沒有發揮出什麼大的作用。俄國坦克羣企圖尋找德軍防線的弱點，但這樣的弱點是不存在的。德軍第8、第2裝甲師的頑強狙擊下，近衛第3坦克集團軍陷入了一場代價高昂的消耗戰之中，損失掉一大半的中輕型坦克。近衛第3坦克集團軍軍長雷巴爾科將軍，後來蘇聯裝甲元帥，是又一位在第二次世界大戰中大名鼎鼎的坦克名將，儘管他有缺乏工兵、炮兵等客觀理由，此番則非常難堪地受挫於莫德爾手下了。
俄軍已經增加到了八十四個步兵師，十四個坦克軍，十二個炮兵師和大量的獨立坦克部隊。而此時的德軍損失極爲慘重，疲憊不堪，第9集團軍的每個師的人數都減少了一半以上，有的師只剩下幾個不滿員的營。它編成內被打殘的一些裝甲師已集中到中央集團軍羣的右翼，用以保障同南方集團軍羣的接合部。英雄難抵四手，好漢還怕羣狼，第9集團軍防守的向東突出地段似乎快守不住了，其正面也已不只一次地處於被突破的邊緣。莫德爾很清楚，由於雙方兵力相差懸殊，加上喪失了制空權，失去奧廖爾登陸場只是時間問題而已。
由東面進攻的俄軍也已緊逼到了奧廖爾附近，寡不敵衆的德軍是沒有辦法再去扼守幾處同時被突破的奧廖爾突出部了。莫德爾還是把第9、第10裝甲擲彈兵師和第266、第26步兵師部署在俄軍突破的前方地域，另外第441和707警衛師雖然缺乏反坦克兵器，也被派往該地域。到七月二十二日，俄軍攻擊的猛烈程度達到了頂點，當俄國人再次增加兵力第11集團軍進入到第11近衛集團軍和50集團軍之間的進攻位置時，面對着殘酷現實，希特勒終於收回了二十日發出的禁止後撤的命令，同意了莫德爾進行“彈性防禦”的請求。
七月二十六日，在大本營召開的軍事會議上，希特勒同意討論儘快放棄奧廖爾登陸場的問題。莫德爾的戰鬥報告中提出了焦土政策，在放棄地區的“破壞工作”。即燒燬待收割的農作物和建築物，劫掠牲畜，拆卸機械等財產，將大約二十五萬蘇聯平民驅趕到德軍佔領區服苦役等暴行。 шшш▪ Tтkǎ n▪ c○
八月一日，德軍開始撤退，有兩萬名傷員撤出了奧廖爾。按照莫德爾的命令，德軍實施了“焦土”政策。焚燬了所有的農作物，強迫二十五萬居民攜着牲畜隨德軍撤退。德國最高統帥部在當日的日記中這樣記載着，“第9集團軍前線地段的敵人依舊在坦克和航空兵的支援下繼續衝擊，新的兵團進入到戰鬥中。我軍在艱苦流血戰鬥中守住陣地。敵人一步不離地追擊着撤退中的坦克第2集團軍。”
殿後的德軍仍然在以狂熱的餘勇拼命地頑抗着，他們不斷地組織反衝鋒，譬如第505裝甲營的第3連以損失一輛坦克的代價在兩天內就摧毀了二十九輛t34。在德軍的後方情況也在急劇地惡化，蘇聯游擊隊對鐵路交通線實施了集中突擊，僅奧廖爾州的游擊隊在七月二十二日至八月一日就炸燬了七千五百根鐵軌，多次炸燬運輸列車。僅以八月四日德國最高統帥部日記的記載爲例，“東線鐵路的運行由於路軌遭到破壞而經常中斷，在中央集團軍羣地域內，僅在八月三日就發生了七十五次重大破壞事故和一千八百次爆破，導致中央集團軍羣地域內火車運行從八月四日起中斷四十八小時。”
所有通往奧廖爾的道路上滿是撤退的德軍，大量的部隊與技術裝備聚集在奧卡河的碼頭。蘇聯空軍對撤退中德軍的空襲在五天內達到九千八百架次，猛烈的轟炸甚至炸死了德國的第46裝甲軍軍長漢斯#183;左恩上將。另一方面，八月三日俄軍布良斯克方面軍第3、第63集團軍開始接近奧廖爾，一位叫古爾基耶夫的“斯大林格勒的戰鬥英雄”俄國第308師師長在城市的郊區陣亡的事蹟激勵着俄軍的鬥志。不過，連綿大雨後造成的泥濘道路以及德國工兵埋設的地雷仍在無情地遲滯着俄軍的快速推進。
八月三日，俄軍在德國南方集團軍羣方向發起了“魯緬採夫統帥”戰役。曼施坦因元帥過份自信地將他的部隊配置在進攻庫爾斯克的佔領地域，而不是撤回過去駐守更易防守的陣地，加劇了德軍的困難。當俄國人在大舉反攻的時候，這位德國元帥研判局勢的能力如此地麻木不仁，還在不切實際地謀籌着要消滅俄軍主力，導致大量的德軍單位在運動中，在野外而不是工事內被擊潰或蒙受本不該有的重創。
不過南部的俄軍仍然面臨着一場苦戰，他們將直到八月五日才突破了德軍的陣地，楔入到德方防線六十公里。希特勒不顧克盧格元帥和莫德爾將軍的極力反對，從中央集團軍羣調走了“大德意志”師和第7裝甲師用於填補南線的缺口。到戰役結束時，曼施坦因的部隊至少損失了二十萬人左右暨大量的技術兵器。
八月四日全天，奧廖爾城內展開激烈的巷戰，無路可逃的德軍且戰且退，向市中心撤退，按照莫德爾將軍命令，他們絕望地爆破、焚燬市政建築、住宅和生產工廠等，並在建築物的廢墟間埋設着延期地雷或詭雷。八月四日傍晚，奧廖爾城的東部已被俄國第3集團軍、第63集團軍佔領，夜間俄軍開始強渡奧卡河，以奪取西部城區。其他的俄國部隊第3集團軍第269、308兩個步兵師已從北面暨東面突入了奧廖爾市，西城區的德軍腹背受敵，包圍圈越來越小了奧廖爾城裡的德軍有的是敢死隊以自我的犧牲精神爲整個中央集團軍羣贏得了後撤的時間。八月五日拂曉，被俄軍團團包圍着的承載着莫德爾將軍太多榮耀的城市奧廖爾終於失守了。也是在這一天，南部重鎮別爾哥德羅也同時失守。
得益於德國航空兵的全力掩護下，莫德爾將軍精心地指揮着兩個集團軍步步後撤，從一個防禦區退到另一個防禦區，這是一次全面的井然有序地撤退。“不過，原本準備撤退時儘可能發動的攻勢已無法實行。”俄軍在後面尾追，但無法截斷到莫德爾兵團的任何主力。八月十四日，希特勒任命新提拔的步兵中將洛塔爾#183;倫杜利克來接任第2裝甲集團軍司令的職務。八月十七日夜，中央集團軍羣轉進了一百多公里，終於擺拖了追兵，成功地後撤到了“哈根”防線，斯大林格勒式的慘劇並未如俄軍所願地上演，而這一切都應該歸功於莫德爾高超的防禦戰術暨德國官兵的浴血奮戰。這一條新的防線是從基洛夫的正南方、德米特洛夫斯克、歐爾羅夫斯基以西，直至交通樞紐布良斯克，擁有三道以上的壕塹和大量掩體、支撐點
在蘇聯人發起的這一場代號爲“庫圖佐夫”的戰役中，德軍潰退了一百五十公里，第9集團軍大約損失了三萬人，第2裝甲集團軍損失了六萬多人，有十五個師遭到了重創，而德國再也無法彌補如此規模的損失。俄國人合圍殲滅德軍第2坦克集團軍和第9集團軍的企圖是完全破產的，而且付出了四倍於莫德爾的損失。俄軍損失了四十二萬多人其中陣亡、失蹤十一萬人，受傷三十一萬七千人暨損失坦克、自行火炮二千五百輛以上的代價，如果“庫圖佐夫”戰役也能算作是一次勝利的話，最多隻能算是一場“慘勝”。