直到激战一个半小时后，德军才开始以绝对装甲优势冲破红军的防御。在进攻德军右翼，第20装甲师（73辆可动坦克，30门自行火炮）和第6步兵师（加强有第505“虎”式重型坦克营），分别从西面和东面，以上百辆坦克的密集队形冲击苏第15步兵师防线。上午9点，第20装甲师终于取得了突破，得以向前推进了5公里。该师为此付出了沉重代价，可动坦克数从73辆减少到了第二天的50辆。德第6步兵师也在20-30辆“虎”的配合下攻入苏军阵地。由于2个德国师在两翼的突破，苏第15步兵师面临被包围的威胁。5日下午，第15步兵师被迫撤退，结果在德军的追击下受到很大损失，其第676团一度被包围，经苦战后突围。

苏第15步兵师撤退的同时，位于其左翼的第70集团军第132步兵师侧翼暴露，也被迫后撤。当面德军第7、31步兵师趁机渗入第70集团军右翼4-5公里。

在进攻德军左翼，德第292、86步兵师，以第653、654营80多辆“菲迪南德”为前导，不断冲击红军第81步兵师阵地。尽管“菲迪南德”在红军雷场中举步维艰，但还是凭借200毫米的厚实装甲和超长88炮向前缓慢推进。尤其是在红军第81步兵师右翼，德第86步兵师在第18装甲师的1个团、“菲迪南”和第216突击坦克营“灰熊”的支援下，沿铁道扑向波内里。值得一提的是，德军第86步兵师师长魏德林中将不到两年后担任了最后一任柏林卫戍司令，成为第三帝国灭亡的直接见证者。

但在1943年7月5日，魏德林却还在苏联国土内的库尔斯克突出部，并指挥部队逼近波内里。为了阻止魏德林，红军第13集团军司令普霍夫向第81师增援了第129坦克旅（65辆坦克）和第1442自行火炮团（16辆）。另外，他把第74步兵师派往德军第86步兵师东侧，准备以该师和第27近卫坦克团（21辆KV）切断冲入苏军阵地的德军侧翼。中央方面军司令部也把第1、13反坦克旅，和第21迫击炮旅，总计10个炮兵团增援给第13集团军。

在新增坦克部队配合下，红军第81师当天击退了德军的4次进攻。9时30分，苏联飞机也终于姗姗来迟的出现在战场上。第6歼击航空兵军和第1近卫歼击航空兵师的战斗机开始拦截德国轰炸机群，近卫第53强击航空兵团也以6-8机编队攻击德国坦克，并首次使用了公斤的空心装药炸弹（据称可以击穿60毫米装甲）。1架伊尔-2能够携带144枚这样的炸弹，1个大队可以形成150x150米范围的稠密杀伤区。在方面军司令罗科索夫斯基的命令下，共有350架飞机（200架战斗机，150架轰炸机）飞赴第13集团军上空支援。德第6步兵师师长惊呼：“俄国人使用的飞机数量在东部战场前所未见！”

但在库尔斯克北部空域，德国人依然掌握着制空权。德军第1航空师当天出动了2088个架次，远远超过苏联空军第16集团军的1232架次。而且因为苏联预警工作太差，飞行员又迷恋于和德国战斗机缠斗，以至于德国轰炸机可以轻易闯入红军阵地实施轰炸，造成了巨大损失。

在地面战斗中，苏联的T-34也根本无力对抗“菲迪南德”，对方却可以在3000米以上距离轻易摧毁苏联坦克。面对这种几乎无法击穿的钢铁怪物，苏联人受到了很大刺激，以至于一度把所有的德国自行火炮都当成“菲迪南德”：恰如会把四号坦克当成“虎”一样。由于众寡悬殊，红军第81师终于在德军第5次攻击下向后退却。

截至5日日终，德第9集团军在苏第13和70集团军之间15公里正面取得突破，并在第13集团军防线内推进了6-8公里，逼近奥利霍瓦特卡以北15公里处的苏军第二防御地带。为此德国人付出了沉重的代价。根据莫德尔上报的不完全统计，第9集团军当天战斗伤亡达7223人，相当他全部“战斗力量”的1/10。对莫德尔来说，以如此巨大的损失所换取来的胜利并不显著。

2、突出部南部攻势

当莫德尔攻打库尔斯克北部的同时，曼施坦因也在突出部南面发起了进攻。