第一轮坦克对撞持续了几个小时。尽管损失严重，红军还是将第2梯队100多辆坦克也投入进攻。接近中午时，红军持续的坦克攻击开始奏效。11时-12时这段时间，苏第18、29坦克军各部队先后从“奥克恰布里斯基”农场附近闯入德军纵深。
第18坦克军第170坦克旅突入“希特勒”师装甲侦察营薄弱的阵地，打开了“希特勒”师左翼。为了扩大战果，军长巴哈罗夫投入了他的预备队——坦克第110旅。摩托化步兵第32旅和近卫坦克第36团（装备“丘吉尔”重型坦克）则负责掩护进攻部队的右翼。
午后，红军第18坦克军继续猛攻。在得到了第36近卫坦克团支援后，第181坦克旅、第170坦克旅冲入安德列耶夫卡。2个红军坦克旅继续乘胜前进。他们的推进严重威胁着“希特勒”师和“骷髅”师的接合部后方的瓦希里耶夫卡。
为了防止后方被苏军切断，德国人迅速做出回应。“骷髅”师派出“虎”式坦克连，在凶猛炮火配合下发起反击。埋设在掩体内的德军强击火炮和自行火炮也集中火力摧毁苏联坦克。在德军强大压力下，红军第181坦克旅虽然一度冲入了瓦希里耶夫卡村，但随后就和友邻部队一道被迫退向安德列耶夫卡。18时，红军坦克第18军进攻停止，全天推进了约3公里。
同一时段，在红军第29坦克军攻击下的德军右侧防线，苏第31、32坦克旅再度向党卫军坦克团防守的“奥克恰布里斯基”和高地发动猛攻。按照德方记录，11时20分（德国时间9时20分），35辆红军坦克攻击“希特勒”师装甲群；约40辆红军坦克向奥克恰布里斯基农场东南１公里处的道路交汇点发起进攻。这些坦克得到了凶猛的炮火支援，而且车速极快！在逼近到德第6坦克连只有220米内，苏联坦克一举摧毁了其7辆Ⅳ号坦克中的４辆。德军剩余的３辆中型坦克开始后退，并将红军引诱到德第２坦克营（下属第5-8坦克连）主力拥有的33辆坦克面前。在接下来的战斗中，德国人包围了冒进的苏联坦克，并宣称他们的第１次齐射就干掉了19辆！总的战果据说为60多辆！这个数字看来有些夸张。
而在高地南侧，红军第53摩托化步兵旅于11时攻至“斯大林斯克”国营农场。该旅还推进到了铁路线北侧的“奥克恰布里斯基”，并开始向南突破。
在第53摩托化步兵旅配合下，遭德军空袭和地面打击后坦克所剩不多的第31坦克旅，终于从两处冲入“希特勒”师装甲侦察营阵地。大约11时左右，4辆T-34坦克冲入德军后方的第8炮兵连阵地，并摧毁了2门105毫米火炮。苏联坦克还冲到了高地和共青团农场附近，前者是德“希特勒”师前进指挥部的所在。
德军火速回应，调动包括第3强击火炮连在内的部队发起猛烈反击。此时，红军已是强弩之末，冲入德军后方的少量坦克很快被对方的步兵和炮火所消灭。15时40分，第31坦克旅遭到德军的反击后停止了进攻。一天下来，该旅损失了24辆T-34坦克,20辆T-70坦克，伤亡62人。
红军第32坦克旅则倾力攻击高地及其附近地区。截至中午，红军第32坦克旅第1坦克营被德党卫军坦克团包围并歼灭。其第2坦克营则逐渐克服了德军第2装甲步兵团在铁路线附近的抵抗，并在空降兵和第25坦克旅配合下，于13时攻占高地。但德军以不断的反击和空袭阻止了苏军，并迫使其转入防御。
此时战场形势已经对德方不利：“希特勒”师坦克团到中午就仅剩下约30多辆坦克，弹药基本耗尽，几乎一天没有离开坦克的士兵们更是疲惫不堪，再也无力支撑下去。为了避免全军覆没，坦克团只得和配合行动的装甲步兵营一道放弃了“奥克恰布里斯基”，并后撤约1公里。截至日终，红军第29坦克军得以推进1公里半。
当“希特勒”师在普罗霍罗夫卡西南遭受红军猛攻的同时，其两翼也发生了战斗。“帝国”师防守的右翼，上午10点，红军近卫第2坦克军发动进攻，但在中午时分被德军空袭和火箭炮所阻止。15时，“帝国”师发动反击，将苏军击退了2-5公里。红军近卫第2坦克军以及第2坦克军遭受严重打击，共损失85辆坦克（44辆彻底损失）。
