德军332、167兵师快速被优势苏军冲垮。第19装甲师在稍晚时投入战斗，对近6集的先头单位进行反击，将苏军挡在托马罗夫卡以北3公里处，减缓了苏军的突入，当日坦1集突进12公里。

但是近坦5集的推进速度很快，其以第29、18坦克军为第一梯队，第5近卫机械化军为第二梯队，到3日晚已经推进20-25公里。第一天的突击沃罗涅日方面军在第4装甲集团军和“肯普夫”集群之间拉开了一个大口子德军退下的步兵，在装甲部队支持下力图从左右两面遏制红军突破口的扩大：左翼，第255、332步兵师，第19装甲师于托马罗夫卡阻挡红军第1坦克集团军和第6近卫集团军；右翼，第167步兵师，第6装甲师阻挡近5集和近坦5集。

4日，坦1集的坦6军和近坦5军，从北和东北面进攻；第3机械化军则从东南方实施迂回。在德军的顽强抗击下，坦6军一度被缠住，损失了21辆坦克，近坦5军也损失了23辆，红军向托马罗夫卡的正面进攻受阻，只有第3机械化军在前进了20公里。卡图科夫随后也将第6和31坦克军也投入到了迂回进攻中。

另一侧的罗特米斯特洛夫的进展也不是很顺利，这一带存在河流，而他的部队也被第6装甲师拖住，503重型坦克营为数不多的虎式坦克也加入了防御战。而在中午，正当罗特米斯特洛夫准备向南穿插时，瓦图京下令叫他拐弯90度支援53集，放出近机5军后，罗特米斯特洛夫剩下的两个军战果不大，随后的几天他的坦集面对第6装甲师将陷入苦战，在6日-8日他的部队损失了168辆坦克、自行火炮，其中74辆系不可恢复损失。

5日，苏军合成集团军继续强攻托马罗夫卡，第19装甲师与之进行惨烈的拉锯战，而坦1集也穿插到了德军托马罗夫卡集团的后方。而在旁边策应的27集、40集也加紧了攻势，第11装甲师和刚刚从中央集团军群要回的第7装甲师未能阻止苏军的突进，近坦5集也进行了进一步穿插。科涅夫的部队也逐渐杀入别尔哥罗德。而到了6日早，德军托马罗夫卡集团开始向西南后撤，但后退的道路已经被苏军切断，德军奋力突围，击毁了大部分把守此处的苏军坦克，但是苏军步兵单位还是守住的阵地。第11装甲师也陷入了苦战，针对苏军侧翼的，两个坦克营和一个装甲掷弹兵营的反击没有奏效。第11装甲师和下属单位的联系也较为混乱，当日第11装甲师似向第48装甲军误报911突击炮营失去了其营长。左翼的第7装甲师也被苏军逐步逼退。而托马罗夫卡集团也开始了为期两天的艰苦突围，苏军27集和40集的压力也使得第48装甲军难以策应德军的突围集团。期间第19装甲师师长施密特将军在从军部返回途中遭遇苏军，突围无望自杀。但这一过程中德军的突围并非如部分作品描述的那么大，部分作品不负责任地讲出“困在鲍里索夫卡的德第19装甲师几乎覆没”。而实际情况却是这个“几乎全军覆没”的装甲师至9月1日编制力量15103人，缺编4419人，离“全军覆没”似乎还有非常遥远的距离。而在8月6日以后，从中央集团军群要回的GD师逐渐到达阿赫特尔卡一带，该部将曾经被合围的三个德军师接应而出。

在苏军突进的同时，曼施坦因也从其它战区调集装甲预备队，他本人也来到“肯普夫”集群的司令部亲自部署。他从中央集团军群要回了GD师，该师于5日在布良斯克登上南下的列车，其先头侦察营在6日就将开始侦察活动。曼施坦因还从集团军群南部的区域调回帝国、维京、骷髅、第3装甲师。6日，第3装甲师先头单位开始抵达哈尔科夫北部，帝国师的先头部队也逐渐到达，而骷髅师的单位也将在未来几天逐渐到达。维京师则在8月12日陆续抵达哈尔科夫以北。布莱特将军的第三装甲军军部也被调来。这样，肯普夫集群和第四装甲集团军在8月10的可用坦克增长到352辆，突击炮的数量增加到214辆。此时从数字上已经可用预料此次反击的效果不会如第三次哈尔科夫战役那样，2月底第一装甲集团军、肯普夫集群、第四装甲集团军有可用坦克就有494辆，而当面的苏军也不是之前弱小的波波夫集群。

而苏军并不打算等德军增援到齐了再发展攻势，肯普夫集群的态势图上，在8月6号这一天友邻部队的位置已经不清晰，帝国师的战史写到：

“由于不明苏军突破地带纵深究竟多大，与友邻第4装甲集团军也没能取得联系，因此SS“帝国”侦察营营长奥托·维丁格少校派出由舒勒尔少尉指挥的1支装甲侦察队（由2辆8轮装甲侦察车组成）往西南，穿过苏军突破地带，侦察穆拉法和科斯亚夫卡，任务是找到侧翼的第4装甲集团军所部，并持续保持电台联络。 在出击的第一天，装甲侦察队还能不断报告自己的即时位置和苏军活动情况，并由营长奥托·维丁格少校将这些情况上报师部。但从第二天开始，电台联系越来越少，到最后完全中断了联络。整整2天时间，SS“帝国”侦察营营部都无法与装甲侦察队取得联络。奥托·维丁格少校担心，装甲侦察队可能已被苏军歼灭。 第三天，令人不可思议的事情发生了：SS“帝国”侦察营营部突然又与装甲侦察队取得了联络，而且信号越来越强。队长舒勒尔少尉最后报告：“任务完成。开始返回。” 在等待装甲侦察队归来期间，SS“帝国”侦察营营长奥托·维丁格少校同样紧张万分，心里暗暗为舒勒尔捏着一把汗。直到装甲侦察队安然无恙地归队时，他悬着的心才总算是放了下来。这次侦察的结果超乎预期。 为了和苏军玩捉迷藏游戏，不让对手摸到自己的行踪和即时位置，肩负着穿过苏军整个突破地带重任的装甲侦察队决定从第二天起保持无线电静默。出击的次日，他们与一个德国陆军的军司令部相遇。这名军长和参谋官们对装甲侦察队的到来感到万分惊喜。他们已经有很多天的时间未能与右翼的友军取得联系。同样，舒勒尔也感到很吃惊，开了整整一天的车才终于碰到友军，这意味着苏军的突破地带有多么宽大！会面后，军长慰勉了舒勒尔少尉，并和军参谋长一起拿出军用地图指出该军各师目前所在的位置。接着，舒勒尔少尉也在他们的军用地图上标绘出了SS“帝国”侦察营在苏军突破地带东面的阵地位置。两相对比，终于拼凑出了苏军的突破地带全貌，其正面宽达55公里！遗憾的是该军始终无法和肯普夫集群和第4装甲集团军取得电台联络，因而两个集团军都对苏军的突破全貌一无所知。现在SS“帝国”侦察营通过自己的努力，已经完全查明了苏军突破地带的纵深和宽度。”

苏军虽然快速突进，但是并未迅速打烂德军补给线，必要的交通线仍然握在德军手上。德军增援到达后，各师开始于苏军进行交火，以求削弱苏军战力，并暂时稳定战线，为随后的反击作出准备。

战至11日，双方形成以下态势：

苏军总体推进60至100公里，德军尚未封闭第四装甲集团军与“肯普夫”集群间的缺口。德军左翼的苏27集和40集杀到阿赫特尔卡外围，夺取特罗斯佳涅茨，而52军撤出后也与第48装甲军汇合，通过反击重新建立起了防线暂时稳住阵脚；中路的德军装甲师遏制了近坦5集的快速突破，并在博戈杜霍夫以南与坦1集先头单位接触；

在德军的装甲力量上升战线暂时稳定时，苏军的坦克集团在防御部队的抵抗下也遭到了削弱。战至8月11日，近坦5集不可恢复损失的坦克数量达到111辆，可用坦克为88辆T-34与18辆T-70。坦1集的情况稍好，不过力量也遭到削弱，12日早其可用坦克为197辆T-34和71辆轻型坦克。

此时苏军阵型上也呈现出脱节状态，坦1集报告“我部距离哈尔科夫-波而塔瓦铁路约5-6公里，因缺少炮兵，我们无法阻止这条道路上敌军的调度”。这样，德军反击的战机开始成熟。不过也许是因为前方德军交通线对瓦图京的诱惑太大，在自己的侧翼出现了4个新的德军装甲师后，仍不收手、不知止，瓦图京觉得德军的装甲师只不过是为了掩护撤退。坦1集仍然从博戈杜霍夫以南到克拉斯诺库茨克以西，沿默克希克全线发动袭击，切断哈尔科夫以西的德军交通线。12日凌晨49坦克旅突袭了铁路沿线，晚些时候近坦1旅和坦112旅也杀到铁路附近。当然，瓦图京如此做也有来自上级的压力，8月9日莫斯科曾给朱可夫发报称：

“最高统帅部认为必须尽快截断通往波尔塔瓦，克腊斯诺格勒，洛左瓦亚的主要铁路和公路交通线，以孤立哈尔科夫，并尽快解放哈尔科夫。为此，卡图科夫的坦克第1集团军应切断科维亚基，瓦尔基地域的主要交通线，罗特米斯特罗夫的近卫坦克第5集团军应从西南迂回哈尔科夫，切断梅列法地域的交通线。”

德军原本计划投入两个装甲集团进行反击，在左翼由第24装甲军指挥，以GD师、第10装甲掷弹兵师（并无坦克）为主进行反击，而右翼以第3装甲军下辖的3个党卫军师和第3装甲师进行。然而左翼德军并未做好准备，德军为避免夜长梦多，决定第3装甲军先行针对在博戈杜霍夫前凸的坦1集进行反击。

而真正意义上的反击任务实际上是由党卫军承担，实力相对弱小的第3装甲师此时位于党卫军单位的东北方向，其在6日就开始了激烈的防御战，为此帝国师后来还支援了一个乘坐装甲车的连给第3装甲师进行防御，因战况紧急，在师炮兵和坦克、装甲车辆未完全到位的情况下第3装甲师的掷弹兵就冲向了前线。在反击进行时，第3装甲师正面临苏军猛攻，该师战史写到“早晨4个苏军步兵师攻击了第3装甲师的阵地，鲍尔曼中校的394装甲掷弹兵团又一次忙碌起来。克莱斯特上尉的1营和阿诺特上尉的2营无法依靠自身力量面对，苏军进入杰尔加特斯奇后施托克曼少校的坦克才赶来支援……很明显战线无法守住……车辆和不重要的装备都送至奥列沙尼”。

而反击的德军由帝国师和骷髅师组成，骷髅师在左翼，帝国师在右翼，11日时维京师在帝国师的后方，12日该师接管了帝国师的由翼。而原先的第6装甲师则与此次反击无缘，该部在哈尔科夫以西进行防御。

11日中午，当坦1集正继续穿插时，布莱特开始进行反击。帝国师和骷髅师还是攻击冒进的坦1集。骷髅师沿着交通线打击卡图科夫的前凸单位，而帝国师则从东边进行突袭。德军突击到了梅尔奇克河一线，苏军坦6军、机3军的后方受到威胁，卡图科夫派出坦31军阻止德军侧后的突破。坦6军的盖特曼将军写到“我们派出163师的一个团去解救被切断的营，但是没有成功，军部派出200坦克旅的1营的12辆坦克的行动也失败了，8辆坦克被击毁。”战斗中坦112旅被打退到梅尔奇克河，损失了13辆T-34。被困在科瓦吉的近坦1旅在晚上得以突围。而坦49旅和坦17团当时并未突围，在数日后才逃出少数人马。

瓦图京下令罗特米斯特洛夫的部队南下支援卡图科夫。12日早近坦5集的单位南下寻找友军是撞上了骷髅师的部队。而这一天维京师则接管了帝国师的部分阵地，掩护帝国师的突击。早上8时维京师的坦克、突击炮开始抢占防御阵地并和苏军发生遭遇战。帝国师继续发起猛攻，把机3军和坦31军逼退数公里。

这一天的反击中，坦31军军长契尔年科少将被德军火箭炮炸死（第3装甲军辖有第52火箭炮团）。其军部情报军官回忆“那是一个安静的早晨，观察点已经布置好，它由几层木头构成，将军来到这里。后来侦察机飞过并盘旋，接着不止一个连的六管火箭炮开始炮击，一些人腾跃而起跑进了旁边的小树林，而他们回来时发现契尔年科等人已经死了。”

而这一天开始苏军的防御也开始加强，近6集的近22军开始加入到防御部队中，罗特米斯特洛夫在晚上和各军长碰头，决定转入防御。

13日，瓦图京决定以侧翼进攻来反制德军，近6集和近5集的两个是调入博戈杜霍夫以南，有命令卡图科夫保住坦6军夺下的德军交通线。为应对苏军的攻击帝国师和“骷髅”师在8月14日夜间开向西面，并在15日凌晨突然向第23 步兵军发动攻击。到日终已后退了10—12 公里。德军还包抄了第52 步兵师、近卫90步兵师和第6 坦克军一部，其中只有第52近卫步兵师突围成功。此后红军第6 近卫集团军在梅尔拉河一线组织起防御，其西侧的第27 集团军则继续向德军侧翼实施反击。随后近坦5集还在维京师和帝国师的结合部发起了突击，但效果不佳，战至18日，双方均精疲力竭，坦1集可用坦克、自行火炮降至120辆，近坦5集剩下130辆。

但是曼施坦因的反击并未结束，在第3装甲军停滞之时，霍特的部队又开始了反击。负责反击的内林的装甲军辖有GD、7装、10装掷三个师，其中第10装甲掷弹兵师没有坦克和突击炮，GD师拥有11辆三号、20辆四号、5辆豹式、8辆虎式坦克以及22辆三号突击炮。而第七装甲师拥有1辆2号、15辆3号、11辆四号坦克。

而这一地区的苏军坦克部队则在数量上占据优势，近坦4军拥有T-34坦克31辆、T-70 1辆 SU-122 8辆 MKIII 25辆。近坦5军则拥有T-34坦克109辆、T-70 18辆以及4辆MKIV

此地27集的防线虽然在突入后稀疏，其战线长达170公里，但统帅部预备队近4集此时已经部署在后方。同时瓦图京也下令47集加强对德军侧翼的攻击以缓解27集的压力。8月17日苏军通过一天的战斗在德军68师和57师的阵地上推进了10-12公里。

但是苏军的进攻并未使霍特放弃反击，GD师动作迅速，在18日的反击中突进了24公里，严重威胁苏军后方。LW也有力支援了第24装甲军的反击，第27集团军的一份文件写到“大部分反坦克兵器及其人员都被空袭击毁、杀伤了，牵引车也被摧毁”。

瓦图京也快速做出应对，近4集（司令员为降职的元帅库利克，此战表现依然不佳，被朱可夫批“未能履行职责”）迅速派出近7师和近8师运动到德军侧翼。坦1集也开始驰援这里，坦6军、机3军（缺机10旅）、被送去封堵内林的突破，19日卡图科夫还剩下91辆可用T-34和48辆T-70，大约百分之六十五被送去抵挡德军的突破。

19日一开始GD师的突破还算顺利，坦克1营和侦察营拿下了帕克莫付卡村，但苏军坦克部队很快杀到，对GD师发起突袭。此时的GD师已经开始精疲力竭，一些连队只剩下30人。难以再有作为。但是南边的骷髅师也在继续策应第24装甲军，并与其建立了联系合围了166师和近坦4军，德军虽并无力量吃掉这些部队，但好歹勉强封闭了第四装甲集团军和第8集团军的缺口。德军的反击也给苏军带来了不小的损失，在8月22日时近坦5军可用装甲实力下降为34辆T-34和3辆T-70，而近坦4军降为11辆T-34和8辆英制MKⅢ。

虽然曾催促瓦图京切断德军交通线,但遭如此猛烈地到反击后,慈父后来还是发令训斥了瓦图京,并将此抄送给朱可夫:“近日事件表明,你们在制定计划和实施战役中,没有接受过去的经验并继续重复旧的错误。只想到处进攻并占领尽量多的领土而不注意巩固胜利和可靠地保障突击集团的翼侧,这是一种草率的进攻。这种进攻必然要分散兵力兵器,并使敌人能够对我向前推进过远而翼又无保障的集团的翼侧和后方实施突击。要各个击破敌人。在这种情况下,敌人得以进到位于阿列克谢耶夫卡,科锥亚基地域的坦克第1集团军的后方,接着对前出到奥特拉达,维亚佐瓦亚、帕纳索夫卡地区的近卫第6集团军各兵团暴露的翼侧实施突击,最后敌人于8月20日由阿赫特尔卡地域向东南对第27集团军、近卫坦克第4、第5军的后方实施了突击。由于敌人的上述行动,我军遭受了重大而毫无道理的损失,失去了粉碎敌哈尔科夫集团的有利态势。我不得不再次指出你们在实施战役时反复犯过的不可容忍的错误,并要求你们能在最近几天内完成消灭敌阿赫特尔卡集团这样一个最为重要的任务。这你们是可以做到的因为你们有足够的的兵力兵器。务请不要分散注意力，迷恋于从波尔塔瓦方向保卫哈尔科夫这样的任务，而要把一切注意力集中在消灭敌阿赫特尔卡集团这样一项现实而具体的任务上，因为不消灭敌人这个集团，沃罗涅日方面军要取得重大胜利是不可能的。”

而当曼施坦因的装甲主力和瓦图京厮杀之时，科涅夫也没有闲着，他的57集和53集正不断逼近哈尔科夫，随后近坦5集杀到乌达河南岸，准备与57集从两个方向合围哈尔科夫。

为了避免部队被合围，20日曼施坦因绕过蔡茨勒直接给小胡子打电话要求放弃哈尔科夫，小胡子非常不情愿，在8月13日他就下令不惜一切代价守住哈尔科夫。小胡子反复强调哈尔科夫的政治及军事意义。主张撤退的肯普夫还被撤职（但曼施坦因似并未保护与他观点一致的肯普夫，甚至可能顺水推舟扶上自己的老部下沃勒尔）。但是曼施坦因不让步，他认为如果不放弃哈尔科夫德军就有被围的危险。最后小胡子不情愿地同意了，最后还强调如果可能还是要保住哈尔科夫。但是显然这种可能性是不存在的。

8 月22 日下午，沃勒尔开始从哈尔科夫地区撤退。8月23日，多次易手的哈尔科夫再次被苏军夺回。

德军借由撤退，恢复了南方集团军群的左翼，第4装甲集团军以及第8集团军避免被歼灭，然而苏军随即又开始了下一波的进攻，这是苏军在苏德战争中，第一次掌握了全部的战略主动，且他们使用的相当出色。虽然代价不菲(苏军共损失71,611人阵亡与失踪,183,955人受伤,1,864辆坦克与自行火炮,423门火炮,153架飞机)

此役，德军“十日报告”显示8月第四装甲集团军伤亡25911人，第8集团军（肯普夫集群）伤亡25813人，合计51724人，坦克、突击炮的损失德军官史认为根据现存的德军档案资料无法给出数据，而伊萨耶夫根据8月底的存量估计，整个8月参战单位损失为390辆坦克、突击炮，这其中包括了米乌斯河最后几天的激烈战斗与GD师在莫德尔手上的损失。克里沃舍耶夫给出的苏军损失为255566人，坦克、自行火炮不可恢复为1864辆。德国主流观点认为此战德军损失应当以8月1日到20日的十日报告为基准略微扩充，因此为3万人。而有的学者喜欢对苏联伤亡数字挑刺扩充，认为鲁缅采夫行动及后续切尔尼戈夫–波尔塔瓦战役中苏军的损失数、补充数和兵力数难以对上，因此推算此战苏军损失应当达到50万人。而有的国内三流作家则以不是兵力的“口粮力量”配上各种口径的兵力数字如“战斗力量”“步兵战斗力量”，“推算”此战德军伤亡达16万人，远高于整个8月南方集团军群上报的“退出”总数。

考虑到德军伤亡数量在紧张战斗中可能存在往后续时间段中统计，这一点其实是战时数据统计的通病，如苏方数据中沃罗涅日方面军8月1日至20日统计的伤亡为79313人（似不含近坦5集），而最终官宣数字为157293人，相差较大。因此德军官史采用的以8月1日至20日的十日报告并向上微调的做法似不可取。德军伤亡可以以整个8月为基准向下微调。因此鲁缅采夫行动中德军伤亡应该在4万至5万之间，坦克与突击炮的损失在200至300辆之间，这样，人员交换比在1:5到1:6之间，坦克损失交换比大致在1:6到1:8之间。

德军在库斯克战役的失败，意味着德军永久的丧失了苏德战争的战略主动，且没有任何希望去夺回它，尽管希特勒拒绝承认。德军在1943年7、8月损失了大量人力，这严重限制了南方集团军群、中央集团军群对苏军日后行动反应的能力。鲁缅采夫行动和库图佐夫行动标志着德军已无法在夏季击败苏军，并夺回失去的土地、战略主动权。

国内某些作者，因对德军兵力统计口径的无知，拿着实际上为包含了流动性极强的民夫、战俘的“口粮力量”作为总兵力（“口粮力量”绝对不能作为兵力数参考，如OKH对的一份报告中称1944年6月1日北方集团军群口粮力量达1012000人，而即便是算入平民，其中只有67万德国人，真正的“实际力量”仅55万人，而BA-MA RH 2/1341号档案记载的该集团军群含集团军群直属部队“前线力量”仅331025人），且不知“战斗力量”、“步兵战斗力量”的内涵，随意在不是“兵力”的数字和与其字面意思含义相距甚远的兵力统计口径间胡乱加减，信口开河宣称第四次哈尔科夫战役中南方集团军群下属单位的兵力损失“十日报告”存在成倍数的误差，大言不惭地称南方集团军群的“十日报告”是“黑色幽默”。

首先，作为战时统计自然无法做到绝对准确，也不能否认德军东线的补充数、实际力量和损失数无法逐月对应，损失可能漏报，也可能报至下一个月的数据中。如单看7月与8月的数字可能存在缺口，如7月1日东线实际力量为3138000人，9月1日为2676000人，根据1943年12月的统计，上报损失为477800人，补充171100人，难以对上。但以此为由宣称只有损失数是错报而实际力量不会因为标准浮动或部队未完全收拢、联系上而没有统计，显然是别有用心的。如1943年10月东线上报的损失数高于补充数（198400对120500，而另一份统计中的实到补充为112730，退出201980），但是在兵力由10月初的162个师变为11月初的160个师后11月1日的东线的实际力量却比10月1日高出近8万人，显然这不可能是各单位聘请了法师复活了16万人，可以看出补充和损失并不宜逐月对应核对。

当时间线拉长，几个数字就趋于接近。根据OKH于12月的统计在1943年7月至10月东线陆军损失907900人，补充419600人，差额488300人，而7月1日东线陆军实际力量为3138000人，而11月1日实际力量为2641000人，差额497000人，两差额相差不足1万，并不悬殊。如此看来德军于1943年秋冬的兵力统计虽不精确，但是时间线拉长后数据基本对上，而这几个月一直发生激烈战斗，统计的损失数也未在随后某个月井喷，上报的损失数还不至于产生成倍的差异。

回到南方集团军群，在上述数据的明细之中，南方集团军群1943年8月上报的损失为117300（阵亡+失踪+受伤而退出集团军地域+生病，另一份晚些时候的统计显示8月“Blutige Verluste”为82332人，退出118953人），低于某些作者捏造的仅仅在第四次哈尔科夫战役德军就损失16万人的数字，而8月“十日报告”的死亡+失踪加受伤为77625人，在统计口径不同且各项数据可能存在时间差的情况下，十日报告的偏差其实并不大。称南方集团军群的十日报告存在那样规模的缩水显然是无稽之谈。