Вечером 10 июля командование Воронежского фронта получило приказ Ставки о проведении контрудара по крупной группировки немецких войск, скопившихся в районе Мал. Маячки, Озеровский. Для проведения контрудара фронт был усилен двумя армиями, 5-й гвардейской, под командованием А.Жадова, и 5-й гвардейской танковой, под командованием П.Ротмистрова, переданными из Степного фронта. Однако подготовка контрудара, начавшаяся 11 июля, была сорвана немцами, которые сами нанесли по нашей обороне на данном участке два мощных удара. Один - в направлении Обояни, а второй - на Прохоровку. В результате внезапных ударов некоторые соединения 1-й танковой и 6-й гвардейских армий отступили на 1-2 км в направлении Обояни. Куда более серьезное положение сложилось на Прохоровском направлении. Из-за внезапного отхода некоторых пехотных частей 5-й гвардейской армии и 2-го танкового корпуса была сорвана артиллерийская подготовка контрудара, начавшаяся еще 10 июля. Многие батареи остались без пехотного прикрытия и понесли потери, как на позициях развертывания, так и в движении. Фронт оказался в очень тяжелом состоянии. Немецкая мотопехота вошла в пос. Прохоровка и приступила к форсированию реки Псел. Лишь быстрый ввод в сражение 42-й стрелковой дивизии, а также перевод всей имеющейся в наличии артиллерии на прямую наводку позволил остановить продвижение немецких танков.

На следующий день 5-я гв. танковая армия, усиленная приданными частями, была готова начать наступление на Лучки, Яковлево. П.Ротмистров выбрал рубеж развертывания армии западнее и юго-западнее ст. Прохоровка на фронте 15 км. В это время немецкие, стараясь развить свое наступление в северном направлении, нанесли удар в полосе обороны 69-й армии. Но это наступление носило, скорее, отвлекающий характер. К 5 часам утра части 81-й и 92-й гв. стрелковых дивизий 69-й армии были отброшены с оборонительного рубежа и немцам удалось овладеть селами Ржавец, Рындинка, Выползовка. Возникла угроза левому флангу разворачивавшейся 5-й гв. танковой армии, и, по распоряжению представителя Ставки А.Василевского, командующий фронтом Н.Ватутин отдал приказ направить подвижной резерв 5-й гв. танковой армии в полосу обороны 69-й армии. Резервная группа под командованием генерала Труфанова в 8 часов утра перешла в контрнаступление на прорвавшиеся подразделения немецких войск.

В 8:30 главные силы немецких войск в составе танковых дивизий "Лейбштандарт Адольф Гитлер", "Дас Райх" и "Тотенкопф", насчитывали в своем составе до 500 танков и САУ (в том числе 42 танка "Тигр"), перешли в наступление направлении ст. Прохоровка в полосе шоссейной и железных дорог. Эту группировку поддерживали все имеющиеся в наличии воздушные силы.

После 15-минутной артподготовки немецкая группировка была атакована основными силами 5-й гв. танковой армии. Несмотря на внезапность удара, массы советских танков в районе совхоза Октябрьский были встречены сосредоточенным огнем противотанковой артиллерии и штурмовых орудий. 18-й танковый корпус генерала Бахарова на большой скорости прорвался в совхоз Октябрьский, и, несмотря на большие потери, захватил его. Однако у пос. Андреевка и Васильевка он встретил танковую группу противника, в которой было 15 танков "Тигр". Пытаясь прорваться через преграждающие путь немецкие танки, ведя с ними встречный бой, части 18-го танкового корпуса смогли овладеть Васильевкой, но в результате понесенных потерь не смогли развить наступление и в 18 часов перешли к обороне.

29-й танковый корпус вел бой за высоту 252,5, где его встретили танки дивизии СС "Лейбштандарт Адольф Гитлер". В течении всего дня корпус вел маневренный бой, но после 16 часов был потеснен подошедшими танками дивизии СС "Тотенкопф" и с наступлением темноты перешел к обороне.

2-й гвардейский танковый корпус, наступающий в направлении Калинина, в 14:30 внезапно столкнулся с двигавшейся навстречу танковой дивизией СС "Дас Райх". В связи с тем, что 29-й танковый корпус завяз в боях за высоту 252,5, немцы нанесли 2-му гв. танковому корпусу удар в оголенный фланг и принудили его к отходу в исходное положение.
2-й танковый корпус, обеспечивавший стык между 2-м гв. танковым корпусом и 29-м танковым корпусом, смог несколько потеснить немецкие части, находившиеся перед собой, но попал под огонь подтянутых из второй линии штурмовых и противотанковых орудий, понес потери и остановился.

К полудню 12 июля немецкому командованию стало ясно, что фронтальное наступление на Прохоровку не удалось. Тогда оно решило, форсировав р. Псел, выйти частью сил севернее Прохоровки в тылы 5-й гвардейской танковой армии, для чего были выделены 11-я танковая дивизия СС "Тотенкопф" (96 танков, полк мотопехоты, до 200 мотоциклистов при поддержке двух дивизионов штурмовых орудий). Группировка прорвала боевые порядки 52-й гв. стрелковой дивизии и к 13 часам овладела высотой 226,6.
Но на северных скатах высоты немцы наткнулись на упорное сопротивление 95-й гв. стрелковой дивизии полковника Ляхова. Дивизия была спешно усилена артиллерийским противотанковым резервом в составе одного ИПТАП и двух отдельных дивизионов трофейных орудий. До 18 часов дивизия успешно оборонялась от наступавших танков. Но в 20:00, после мощного авиационного налета, ввиду отсутствия боеприпасов и больших потерь личного состава, дивизия под ударами подошедших немецких мотострелковых частей отошла за селение Полежаев. Здесь уже были развернуты артиллерийские резервы, и немецкое наступление было остановлено.
Не удалось выполнить поставленные задачи и 5-й гвардейской армии. Столкнувшись с массированным огнем немецкой артиллерии и танков, пехотные подразделения продвинулись вперед на расстояние 1-3 км, после чего перешли к обороне. В полосах наступления 1-й танковой армии, 6-й гв. армии, 69-й армии и 7-й гв. армии решающего успеха также не произошло.

Таким образом, так называемое "танковое сражение под Прохоровкой" отнюдь не происходило на каком-то отдельном поле, как это говорили раньше. Операция осуществлялась на фронте протяженностью 32-35 км и представляла собой целый ряд отдельных сражений с применением танков обеими сторонами. Всего в них участвовало, по оценкам командования Воронежского фронта, 1500 танков и САУ с обеих сторон. 5-я гв. танковая армия, действовавшая в полосе протяженностью 17-19 км, вместе с приданными частями к началу боев насчитывала от 680 до 720 танков и САУ, а наступавшая немецкая группировка - до 540 танков и САУ. Кроме того, с юга в направлении ст. Прохоровка вела наступление группа "Кемпф" в составе 6-й и 19-й танковых дивизий, имевшая около 180 танков, которым противостояли 100 советских танков. Только в боях 12 июля немцы потеряли западнее и юго-западнее Прохоровки, согласно донесениям командования фронтом, около 320 танков и штурмовых орудий (по другим данным - от 190 до 218), группа "Кемпф" - 80 танков, а 5-я гв. танковая армия (без учета потерь группы ген. Труфанова) - 328 танков и САУ (общие потери матчасти 5-й гв. танковой армии с приданными частями достигали 60%). Несмотря на большую концентрацию танков с обеих сторон, основные танковым частям были нанесены отнюдь не вражескими танками, а противотанковой и штурмовой артиллерией противников.
Контрудар войск Воронежского фронта не завершился уничтожением вклинившийся немецкой группировки и потому сразу после завершения считался неудавшимся, но, поскольку он позволил сорвать немецкое наступление в обход г. Обоянь и Курск, позднее его результаты были признаны удачей. Кроме того, необходимо учитывать и тот факт, что количество немецких танков, участвовавших в сражении, и их потери, приведенные в донесении командования Воронежским фронтом (командующий Н.Ватутин, член военного совета - Н.Хрущев), сильно отличаются от донесений командиров подразделений. Из этого можно сделать вывод, что масштабы "Прохоровского сражения" могли быть сильны раздуты командованием фронта, чтобы оправдать большие потери личного состава и матчасти в ходе неудавшегося наступления.