首先挡住德军第６航空队轰炸机去路的是苏联空军第１６集团军所属歼击航空兵第６军和近卫歼击航空兵第１师的飞行员们。德军的飞机一出现在前线上空，他们便立即升空作战。当确实查明德军主力准备进攻奥利霍瓦特卡时，苏军的轰炸机和强击机即全天以小编队活动，突击德军的坦克、火炮和有生力量。
随着空军第１６集团军的基本兵力投入战斗，航空兵的活动强度大大增加了。轰炸航空兵第３军、航空兵混成第６军、近卫强击航空兵第２师和强击航空兵第２９９师的飞行员们以６…８架飞机组成的编队突击了战场上和雅斯纳雅波梁纳、奥泽罗克、阿尔汉格里斯克地域的德军坦克和步兵。在７月５日这一天，苏军强击机首次使用了新式反坦克聚能炸弹，这种炸弹重１．５…２．５公斤，能烧穿德军〃虎〃式和〃豹〃式新式坦克。由于使用这种炸弹，仅强击航空兵第２９１师的飞行员于一天之内就在沃罗涅日附近摧毁了３０辆德军坦克。原德坦克第４８军参谋长梅伦将军后来写道：〃许多坦克成了苏空军的牺牲起，俄国飞行员表现得特别勇敢。〃
战役第１天，苏德航空兵的对抗是非常激烈的。苏军歼击机飞行员为掩护战场上的部队，英勇地抗击了德国航空兵的袭击。这一天编队空战进行了７６次，击落德军飞机１０６架，苏军损失飞机９８架。空战中，近卫歼击航空兵第１师的科列斯尼琴科中尉表现了勇敢的精神和高超的战斗技能，他在会战的第１天就消灭了３架敌机。波利亚科夫少尉表现也很突出，他用枪炮火力消灭了１架敌机，又用自己的飞机撞落了第２架敌机。
在空军的有效支援下，苏军地面部队顺利地抗击了敌人的冲击。到７月５日夜，德军仅在奥利霍瓦特卡方向插入苏军防御６…８公里。
然而，防御战役第１天的情况也表明：苏联空军为压制和消灭大量目标分散了自己的兵力。歼击机飞行员也暴露出一些缺点：他们迷恋于同敌战斗机作战，有时竟把敌轰炸机置之于不顾。关于德轰炸机接近的情况，报告得不够准确。有些歼击机巡逻队只在己方上空值班待命，没有按高度作梯次配置。这样只能通过不间断的空中巡逻来掩护地面部队，还造成了兵力的大量消耗。
在战役的第２天，苏军为了恢复原来的态势并消灭插入防御之敌，进行了反突击。空军第１６集团军决定于７月６日清晨５时以１４０架飞机对敌军主要集团实施集中突击。拂晓，侦察机查明了德军坦克、摩托化步兵和炮兵集结地域，轰炸机和强击机立即升空作战。它们使用反坦克炸弹、杀伤弹和爆破弹实施突击。苏军地面部队看到德军十几辆坦克被炸毁后，便喊着〃乌拉〃冲向敌阵。
７月６日，苏军航空兵克服了第１天作战中存在的缺点。歼击航空兵第６军军长和近卫歼击航空兵第１师师长都亲临设在前沿附近苏军反突击地段上的前进指挥所，组织指挥歼击机作战。他们注意监视空中情况，必要时用机场值班分队来加强歼击机巡逻队。巡逻空域跨过了前线，因此德军飞机常常还未到达战场便遭到截击。
德军航空兵遇到顽强的抵抗，其攻势严重受挫。而苏军航空兵却不断加强突击，这一天出动架次比７月５日多了１倍，在９２次空战中消灭德机１１３架。
从７月７日开始，苏军牢牢地掌握了空中主动权，大部分德军轰炸机还未开到战场即遭到了拦截。
７月７日至８日，德军在奥廖尔登陆场增调了兵力后，曾试图经过波内里突入库尔斯克，但告失败。到了１０日，德军在奥廖尔…库尔斯克方向上的进攻能力已经枯竭，不得不转入了防御。
在奥廖尔…库尔斯克方向防御战役期间，苏空军第１６集团军出动飞机７６００架次，远程航空兵出动８００架次，共消灭德军飞机５１７架，有力地支援了地面部队粉碎德军进攻的行动。
苏军地面部队对航空兵的作战给予很高评价。防守在主要方向上的中央方面军第１３集团军在报告中写道：〃请向空军第１６集团军全体人员转达我们地面部队的衷心感谢，感谢他们从空中给我们的积极支援。第１３集团军的战士们都怀着亲切爱戴的心情赞扬自己的战友从空中实施的成功突击。〃
〃堡垒〃计划的彻底破产
德军对沃罗涅日方面军的进攻也是于７月５日晨开始的，这路突击集团由第４航空队担任支援。首先在奥博扬方向上展开了激烈的战斗。德军集中了近７００辆坦克以及步兵和炮兵的主要兵力，在这里实施主要突击，企图直插库尔斯克。同时还以部分兵力进攻科罗恰，目的是把苏军兵力吸引到次要方向。
根据德军的进攻态势，沃罗涅日方面军将其所属空军第２集团军的几乎所有兵力都集中到了奥博扬一线，而对科罗恰方向地面部队的支援任务则交由空军第１７集团军完成。
德军进攻刚一开始，在别尔哥罗德…库尔斯克方向便发生了争夺制空权的激战。在纵横１２００平方公里地区的上空，同时有双方的２０００多架飞机在活动。一次参战的飞机常常多达１００至１５０架。７月５日至１０日，仅苏联空军第２集团军的歼击机就进行了２０５次空战，击落德军飞机３３０架，苏军损失１５３架。加卢诺夫将军指挥的近卫歼击航空兵第８师的飞行员在战斗中表现特别突出，他们第１天就击落敌机７６架。
在激战的日子里，苏联飞行员表现了对自己祖国的无限热爱，表现出了勇敢无畏的英雄气概和高超的战斗技能。中队长戈罗韦茨上尉是苏联飞行员中的突出代表。７月６日，他完成战斗任务返航时，发现敌轰炸机群正飞向苏军阵地。这位勇敢的飞行员决定进行突击。他隐蔽接近，突然发起连续攻击，一连击落９架德军轰炸机，而他自己也英勇牺牲了。
苏联强击航空兵和轰炸航空兵的主要兵力都用来消灭企图在近卫第６集团军地带内实施突防的德军坦克集团。开始防御的头两天，强击机和轰炸机都以６…８机编队活动。后来为了提高突击效率，减少飞机的损失，又以３０…４０机编队实施集中突击，因为大编队强击机和轰炸机的防御能力更强，歼击机也更容易为之提供掩护。同时，大编队能分出部分兵力去压制目标的防空兵器。航空兵对德军的集中突击大大提高了苏军士气，给德军的进攻造成了极大的困难。７月７日，强击航空兵第１军以两次集中突击粉碎了德军在塞尔采沃、亚科夫列地区的坦克和步兵的重兵冲击。
苏空军参谋长胡佳科夫将军７月８日向空军司令员报告说：〃前些时候通过的关于把我航空兵战术改为集中使用大编队活动的决定是完全正确的。沃罗涅日方面军首长认为航空兵作战较前更加有效。〃
通过前５天的紧张战斗，苏军部队在空军的积极支援下使德军遭到了巨大损失，尤其是大量的坦克被摧毁。到７月１０日，德军在战场这一地段上的进攻被阻止，企图通过奥博扬向库尔斯克突进的计划被粉碎了。但是希特勒对此不甘罢休，他进行了重新部署，将坦克师、机械化师和航空兵的主力调到了普罗霍罗夫卡方向，目的是想从东南方向迂回库尔斯克。
在得知德军转变了突击方向后，沃罗涅日方面军决定先以顽强的防御疲惫德军，然后再施行猛烈的反突击，以彻底歼灭在普罗霍罗夫卡方向上进攻的敌军集团。反突击的时间定在７月１２日早晨。
７月１１日，苏军远程航空兵和空军第２和第１７集团军的轰炸机，在对战场上的德军部队进行突击的同时，对德军车站上的军运列车进行了轰炸，还击溃了沿公路和土路行进的德军纵队，目的是阻止德军预备队开进交战地区。
７月１２日苏军反突击开始之前１小时，空军第２集团军进行了４０分钟的航空火力准备。他们共出动了２００多架飞机，对德军集结的坦克和发射阵地上的火炮实施了突击。在普罗霍罗夫卡地区，苏军的反突击坦克部队与德军在冲击中的坦克集群遭遇，于是形成了苏德战争开始以来最大规模的坦克大会战，双方参战的坦克约１５００辆，大量的飞机为之支援，因而在空中也展开了激烈的战斗。由于苏军地面部队和航空兵的配合作战，大量涌来的德军坦克被阻住了。德军损失了３５０多辆坦克和１万多官兵，企图突入库尔斯克的最后努力又告失败。
至７月２３日，沃罗涅日方面军的部队完全恢复了７月５日前所处的态势。在别尔哥罗德…库尔斯克方向防御战役期间，苏军航空兵共出动飞机１９２６３架次，击落德机８９９架。
这样，苏军继奥廖尔…库尔斯克方向的防御战役于７月１１日结束后，别尔哥罗德…库尔斯克方向的防御战役于７月２３日也胜利结束。苏联军队在航空兵积极支援下，几天之内就把德军打得落花流水，希特勒攻占库尔斯克的〃堡垒〃计划遭到彻底破产。
实现〃库图佐夫〃作战计划
苏军在库尔斯克防御战役取得胜利后，遂决定立即对德军奥廖尔集团和别尔哥罗德…哈尔科夫集团进行反攻，并消灭这两个集团，夺回被它们占领的突出部，为尔后的总攻创造有利条件。
在奥廖尔…库尔斯克方向上的反攻，计划由西方面军、布良斯克方面军和中央方面军在４个地段上同时突破德军的防御，割裂奥廖尔德军集团，然后各个歼灭。这个反攻计划早在５月时就已拟好，代号定为〃库图佐夫〃。
在奥廖尔一线活动的德国空军仍然是第６航空队。苏联航空兵集群的编成内有西南方面军空军第１集团军、布良斯克方面军空军第１５集团军和中央方面军空军第１６集团军。各空军集团军都得到了最高统帅部预备队航空兵的加强，几乎拥有３倍于德国航空兵的优势。
为了实现〃库图佐夫〃作战计划，这一方向上的苏军航空兵受领了下列任务：保持制空权并且可靠地掩护军队突击集团；支援陆军突破敌军防御；阻挡敌军进驻中间防线；阻挠敌预备队机动；破坏敌军指挥。
７月１２日，奥廖尔方向上的反攻开始了。在西方面军近卫第１１集团军突破地段上，空军第１集团军以７０架佩－２型轰炸机和４８架强击机，在地面部队发起冲击前１５分钟对敌炮兵和支撑点进行了突击。远程航空兵和夜间轰炸航空兵第２１３师也对这些目标彻夜进行了突击，共出动３６２架次，向敌人投下了２１０吨炸弹。在布良斯克方面军第６１集团军的突破地段上，远程航空兵和夜间轰炸航空兵第３１３师在夜间进行了航空火力准备，压制德军的火炮和迫击炮，摧毁敌抵抗枢纽部，并突击了敌集中地域的部队。拂晓，各方面军突击集团在航空兵支援和强击机施放的烟幕掩护下转入反攻。强击机以１０…１２机编队在歼击机的掩护下不断地开赴战场上空，压制敌炮火发射点，消灭敌坦克和有生力量。
发起进攻１小时后，战场上空开始出现德军轰炸机群，企图对苏军部队实施突击，早在空中和机场待战的近卫歼击航空兵第１军的歼击机立刻迎击。它们以猛烈的攻击将德轰炸机队形打乱，使其无法对苏军部队进行瞄准轰炸。
这一天，苏军航空兵共出动飞机２１７４架次，空战７２次，消灭德机８６架，自己损失５９架。与苏军飞行员共同作战的还有法国〃诺曼底〃航空兵中队的战斗机。法国志愿人员于１９４３年５月到达前线后，编入了空军第１集团军，他们在同德机的格斗中表现出了高超的技能和勇敢的精神。到１９４３年７月底，法国飞行员击落了３０架敌机。
在８天之内，西方面军部队推进了７０公里，布良斯克方面军部队推进了２０公里，为合围博尔霍夫集团创造了有利条件。德军为了守住博尔霍夫，增调来１０个师的兵力，发起广强大的反冲击。苏军空军第１和第１５集团军的兵力几乎全部被调去对德军反冲击部队实施全力突击。仅７月２５日一天，空军第１集团军的飞行员就消灭德军大约２５辆坦克、１５０辆汽车、５个炮兵连和大量步兵。到７月２９日，博尔霍夫的德军集团完全被粉碎。
布良斯克方面军在诺沃西利以西地区发起进攻之前，进行了比博尔霍夫方向更加强大的航空火力准备。远程航空兵和空军第１５集团军的轰炸机于７月１１日夜出动了６００多架次，对德军主要防御地带的目标投下了约５５０吨炸弹。１２日晨，强击航空兵第３军以大编队向德军发起猛攻，消灭和压制突破地段上的敌火起和部队。在部队发起冲击前５分钟，８９架轰炸机又对德军一些重要的抵抗枢纽部和炮兵阵地投下了５００枚爆破弹和３０００多枚杀伤弹。
轰炸机、强击机和炮兵的集中突击，打得德军士气沮丧，无法进行有效的抵抗，苏军顺利地向前推进。强击机不停地消灭德军残存的发射点和抵抗枢纽部。苏军地面部队在航空兵的支援下步步紧逼敌人，到７月１６日已前进到奥列什尼亚河。
７月１９日，德军调来大批航空兵对付苏军坦克部队，德轰炸机以８…３５机编队在战斗机掩护下企图阻止苏军进攻。于是激烈的空战打响了，严阵以待的苏军歼击机在空战中击落德机２３架，迫使德大部分轰炸机掉头回窜。８月４日拂晓，苏军突入奥廖尔城，８月５日晨将城内德军全部肃清。
西方面军和布良斯克方面军的进攻作战，迫使德军不得不把部分兵力从奥廖尔突出部正南面调来增援。中央方面军乘此机会于７月１５日转入反攻，３天内就恢复了７月５日前的态势，到８月６日即解放了克罗梅城。空军第１６集团军给了地面部队有力的支援，每天出动飞机１０００多架次，致使德军的有生力量和技术兵器遭到严重损失。
博尔霍夫、奥廖尔、克罗梅城解放后，苏军开始追击被击溃的德军残部。这时，统帅部命令空军第１５、１６集团军�