第一輪坦克對撞持續(xù)了幾個小時。盡管損失嚴(yán)重，紅軍還是將第2梯隊100多輛坦克也投入進(jìn)攻。接近中午時，紅軍持續(xù)的坦克攻擊開始奏效。11時-12時這段時間，蘇第18、29坦克軍各部隊先后從“奧克恰布里斯基”農(nóng)場附近闖入德軍縱深。

第18坦克軍第170坦克旅突入“希特勒”師裝甲偵察營薄弱的陣地，打開了“希特勒”師左翼。為了擴(kuò)大戰(zhàn)果，軍長巴哈羅夫投入了他的預(yù)備隊——坦克第110旅。摩托化步兵第32旅和近衛(wèi)坦克第36團(tuán)（裝備“丘吉爾”重型坦克）則負(fù)責(zé)掩護(hù)進(jìn)攻部隊的右翼。

午后，紅軍第18坦克軍繼續(xù)猛攻。在得到了第36近衛(wèi)坦克團(tuán)支援后，第181坦克旅、第170坦克旅沖入安德列耶夫卡。2個紅軍坦克旅繼續(xù)乘勝前進(jìn)。他們的推進(jìn)嚴(yán)重威脅著“希特勒”師和“骷髏”師的接合部后方的瓦希里耶夫卡。

為了防止后方被蘇軍切斷，德國人迅速做出回應(yīng)?！镑俭t”師派出“虎”式坦克連，在兇猛炮火配合下發(fā)起反擊。埋設(shè)在掩體內(nèi)的德軍強(qiáng)擊火炮和自行火炮也集中火力摧毀蘇聯(lián)坦克。在德軍強(qiáng)大壓力下，紅軍第181坦克旅雖然一度沖入了瓦希里耶夫卡村，但隨后就和友鄰部隊一道被迫退向安德列耶夫卡。18時，紅軍坦克第18軍進(jìn)攻停止，全天推進(jìn)了約3公里。

同一時段，在紅軍第29坦克軍攻擊下的德軍右側(cè)防線，蘇第31、32坦克旅再度向黨衛(wèi)軍坦克團(tuán)防守的“奧克恰布里斯基”和高地發(fā)動猛攻。按照德方記錄，11時20分（德國時間9時20分），35輛紅軍坦克攻擊“希特勒”師裝甲群；約40輛紅軍坦克向奧克恰布里斯基農(nóng)場東南１公里處的道路交匯點發(fā)起進(jìn)攻。這些坦克得到了兇猛的炮火支援，而且車速極快！在逼近到德第6坦克連只有220米內(nèi)，蘇聯(lián)坦克一舉摧毀了其7輛Ⅳ號坦克中的４輛。德軍剩余的３輛中型坦克開始后退，并將紅軍引誘到德第２坦克營（下屬第5-8坦克連）主力擁有的33輛坦克面前。在接下來的戰(zhàn)斗中，德國人包圍了冒進(jìn)的蘇聯(lián)坦克，并宣稱他們的第１次齊射就干掉了19輛！總的戰(zhàn)果據(jù)說為60多輛！這個數(shù)字看來有些夸張。

而在高地南側(cè)，紅軍第53摩托化步兵旅于11時攻至“斯大林斯克”國營農(nóng)場。該旅還推進(jìn)到了鐵路線北側(cè)的“奧克恰布里斯基”，并開始向南突破。

在第53摩托化步兵旅配合下，遭德軍空襲和地面打擊后坦克所剩不多的第31坦克旅，終于從兩處沖入“希特勒”師裝甲偵察營陣地。大約11時左右，4輛T-34坦克沖入德軍后方的第8炮兵連陣地，并摧毀了2門105毫米火炮。蘇聯(lián)坦克還沖到了高地和共青團(tuán)農(nóng)場附近，前者是德“希特勒”師前進(jìn)指揮部的所在。

德軍火速回應(yīng)，調(diào)動包括第3強(qiáng)擊火炮連在內(nèi)的部隊發(fā)起猛烈反擊。此時，紅軍已是強(qiáng)弩之末，沖入德軍后方的少量坦克很快被對方的步兵和炮火所消滅。15時40分，第31坦克旅遭到德軍的反擊后停止了進(jìn)攻。一天下來，該旅損失了24輛T-34坦克,20輛T-70坦克，傷亡62人。

紅軍第32坦克旅則傾力攻擊高地及其附近地區(qū)。截至中午，紅軍第32坦克旅第1坦克營被德黨衛(wèi)軍坦克團(tuán)包圍并殲滅。其第2坦克營則逐漸克服了德軍第2裝甲步兵團(tuán)在鐵路線附近的抵抗，并在空降兵和第25坦克旅配合下，于13時攻占高地。但德軍以不斷的反擊和空襲阻止了蘇軍，并迫使其轉(zhuǎn)入防御。

此時戰(zhàn)場形勢已經(jīng)對德方不利：“希特勒”師坦克團(tuán)到中午就僅剩下約30多輛坦克，彈藥基本耗盡，幾乎一天沒有離開坦克的士兵們更是疲憊不堪，再也無力支撐下去。為了避免全軍覆沒，坦克團(tuán)只得和配合行動的裝甲步兵營一道放棄了“奧克恰布里斯基”，并后撤約1公里。截至日終，紅軍第29坦克軍得以推進(jìn)1公里半。

當(dāng)“希特勒”師在普羅霍羅夫卡西南遭受紅軍猛攻的同時，其兩翼也發(fā)生了戰(zhàn)斗。“帝國”師防守的右翼，上午10點，紅軍近衛(wèi)第2坦克軍發(fā)動進(jìn)攻，但在中午時分被德軍空襲和火箭炮所阻止。15時，“帝國”師發(fā)動反擊，將蘇軍擊退了2-5公里。紅軍近衛(wèi)第2坦克軍以及第2坦克軍遭受嚴(yán)重打擊，共損失85輛坦克（44輛徹底損失）。