但苏军并未给德军喘息的机会，坦克部队一路追击；很快突破了德军的后卫防线，解放了奥廖尔，并迅速推进至霍特涅茨。
然而，苏军的推进也暴露出致命漏洞。坦克部队推进过快，步兵和炮兵在清理被包围的德军据点时严重滞后，导致前线坦克与后方补给线脱节。曼施坦因敏锐地捕捉到这一机会，在哈尔科夫外围集中剩余的装甲力量，对苏军第1坦克集团军和第5近卫坦克集团军发起反击。
猝不及防的苏军遭到重创。第1坦克集团军在德军的合围中被分割成数段，部分部队因缺乏步兵掩护被全歼；第5近卫坦克集团军虽然奋力突围，避免了全军覆没，但坦克数量从战前的300辆锐减至不足50辆，战斗力几乎崩溃。德军的这次反击，让苏军付出了近2万人伤亡的代价，暂时稳住了战线。
但曼施坦因的反击终究是强弩之末。随着苏军更多增援部队抵达，德军的优势再次丧失。7月23日，苏军第53集团军率先攻入哈尔科夫市区，与德军展开逐街逐屋的争夺。
在市中心的广场上，苏军坦克与德军“虎式”展开最后的对决，炮弹击中建筑物的爆炸声震碎了所有窗户，浓烟遮蔽了天空。
到7月27日，德军终于支撑不住，开始从哈尔科夫全面撤退。当苏军士兵将红旗插上哈尔科夫市政厅的楼顶时，这座城市已沦为一片废墟——街道上布满弹坑，残存的建筑千疮百孔，随处可见战死的士兵和损毁的装备。
库尔斯克会战的伤亡统计，堪称“血肉磨坊”的真实写照。德军共损失兵力25万余人，其中阵亡和被俘超过10万，1500辆坦克和1000架飞机化为残骸；苏军的代价更为惨重，伤亡人数高达80万，6000辆坦克、5244门火炮和1700架飞机在战斗中损毁。在普罗霍罗夫卡的战场上，数百辆烧焦的坦克残骸杂乱地散布着，有的炮塔被掀飞，有的车身布满弹孔，成为这场残酷对决的永恒见证。
对于德军而言，库尔斯克的失败标志着东线战略主动权的彻底丧失——他们再也无力发动大规模进攻，只能转入战略防御；而苏军虽然付出了巨大牺牲，却凭借雄厚的人力和工业资源，牢牢掌握了战争的走向。
当费尔多在华盛顿看到库尔斯克会战的战报时，他在笔记本上写下：“战争的胜利，往往不是靠战术的精妙；而是靠承受牺牲的勇气和持续战斗的决心。”
此时的东线战场，已迎来彻底的转折。苏军在哈尔科夫胜利后，开始筹备更大规模的反攻，而德军则在不断收缩防线，等待他们的，将是盟军从东西两线发起的最终打击。
