直到激戰(zhàn)一個半小時后，德軍才開始以絕對裝甲優(yōu)勢沖破紅軍的防御。在進攻德軍右翼，第20裝甲師（73輛可動坦克，30門自行火炮）和第6步兵師（加強有第505“虎”式重型坦克營），分別從西面和東面，以上百輛坦克的密集隊形沖擊蘇第15步兵師防線。上午9點，第20裝甲師終于取得了突破，得以向前推進了5公里。該師為此付出了沉重代價，可動坦克數(shù)從73輛減少到了第二天的50輛。德第6步兵師也在20-30輛“虎”的配合下攻入蘇軍陣地。由于2個德國師在兩翼的突破，蘇第15步兵師面臨被包圍的威脅。5日下午，第15步兵師被迫撤退，結果在德軍的追擊下受到很大損失，其第676團一度被包圍，經苦戰(zhàn)后突圍。

蘇第15步兵師撤退的同時，位于其左翼的第70集團軍第132步兵師側翼暴露，也被迫后撤。當面德軍第7、31步兵師趁機滲入第70集團軍右翼4-5公里。

在進攻德軍左翼，德第292、86步兵師，以第653、654營80多輛“菲迪南德”為前導，不斷沖擊紅軍第81步兵師陣地。盡管“菲迪南德”在紅軍雷場中舉步維艱，但還是憑借200毫米的厚實裝甲和超長88炮向前緩慢推進。尤其是在紅軍第81步兵師右翼，德第86步兵師在第18裝甲師的1個團、“菲迪南”和第216突擊坦克營“灰熊”的支援下，沿鐵道撲向波內里。值得一提的是，德軍第86步兵師師長魏德林中將不到兩年后擔任了最后一任柏林衛(wèi)戍司令，成為第三帝國滅亡的直接見證者。

但在1943年7月5日，魏德林卻還在蘇聯(lián)國土內的庫爾斯克突出部，并指揮部隊逼近波內里。為了阻止魏德林，紅軍第13集團軍司令普霍夫向第81師增援了第129坦克旅（65輛坦克）和第1442自行火炮團（16輛）。另外，他把第74步兵師派往德軍第86步兵師東側，準備以該師和第27近衛(wèi)坦克團（21輛KV）切斷沖入蘇軍陣地的德軍側翼。中央方面軍司令部也把第1、13反坦克旅，和第21迫擊炮旅，總計10個炮兵團增援給第13集團軍。

在新增坦克部隊配合下，紅軍第81師當天擊退了德軍的4次進攻。9時30分，蘇聯(lián)飛機也終于姍姍來遲的出現(xiàn)在戰(zhàn)場上。第6殲擊航空兵軍和第1近衛(wèi)殲擊航空兵師的戰(zhàn)斗機開始攔截德國轟炸機群，近衛(wèi)第53強擊航空兵團也以6-8機編隊攻擊德國坦克，并首次使用了公斤的空心裝藥炸彈（據(jù)稱可以擊穿60毫米裝甲）。1架伊爾-2能夠攜帶144枚這樣的炸彈，1個大隊可以形成150x150米范圍的稠密殺傷區(qū)。在方面軍司令羅科索夫斯基的命令下，共有350架飛機（200架戰(zhàn)斗機，150架轟炸機）飛赴第13集團軍上空支援。德第6步兵師師長驚呼：“俄國人使用的飛機數(shù)量在東部戰(zhàn)場前所未見！”

但在庫爾斯克北部空域，德國人依然掌握著制空權。德軍第1航空師當天出動了2088個架次，遠遠超過蘇聯(lián)空軍第16集團軍的1232架次。而且因為蘇聯(lián)預警工作太差，飛行員又迷戀于和德國戰(zhàn)斗機纏斗，以至于德國轟炸機可以輕易闖入紅軍陣地實施轟炸，造成了巨大損失。

在地面戰(zhàn)斗中，蘇聯(lián)的T-34也根本無力對抗“菲迪南德”，對方卻可以在3000米以上距離輕易摧毀蘇聯(lián)坦克。面對這種幾乎無法擊穿的鋼鐵怪物，蘇聯(lián)人受到了很大刺激，以至于一度把所有的德國自行火炮都當成“菲迪南德”：恰如會把四號坦克當成“虎”一樣。由于眾寡懸殊，紅軍第81師終于在德軍第5次攻擊下向后退卻。

截至5日日終，德第9集團軍在蘇第13和70集團軍之間15公里正面取得突破，并在第13集團軍防線內推進了6-8公里，逼近奧利霍瓦特卡以北15公里處的蘇軍第二防御地帶。為此德國人付出了沉重的代價。根據(jù)莫德爾上報的不完全統(tǒng)計，第9集團軍當天戰(zhàn)斗傷亡達7223人，相當他全部“戰(zhàn)斗力量”的1/10。對莫德爾來說，以如此巨大的損失所換取來的勝利并不顯著。

2、突出部南部攻勢

當莫德爾攻打庫爾斯克北部的同時，曼施坦因也在突出部南面發(fā)起了進攻。