首先升空迎战德机的是苏空军第16集团军第6军和近卫歼击航空兵第1师。当苏军得知德军主力将攻打奥利霍瓦特卡前，苏军的轰炸机和强击机在当天分为多个小编队，空袭德军的坦克、火炮和步兵。
随着苏军空军第16集团军的主力参战，苏军航空兵的攻击力度大大增强。苏军轰炸航空兵第3军、航空兵混成第6军、近卫强击航空兵第2师、强击航空兵第299师纷纷参战。苏军每6-8架飞机为一个小编队，轮番空袭战场上的德军坦克和步兵。
7月5日，德军轰炸机飞行员翰斯·鲁德第一次袭击苏军装甲部队时，就有4辆坦克被他击毁。晚上，被他击毁的坦克达到12辆。德军轰炸机装了有效攻击苏军坦克的机关炮等武器。
德军轰炸机轮番对苏军坦克进行持续俯冲轰炸，十分准确。德军轰炸机一个中队接一个中队把炸弹掷向苏军坦克，或用机关炮攻击苏军坦克，一辆辆苏军坦克被击毁了。
那一天，苏军强击机第一次使用了新式反坦克聚能炸弹，它能够烧穿虎式和豹式坦克。由于大量使用新式炸弹，仅强击航空兵第291师在当天就炸毁了30辆德军坦克。很多德军坦克成为苏军飞机的靶子，德军装甲部队最害怕来自空中的威胁。
苏军歼击机飞行员们为了支援地面部队，顽强地攻击着德军飞机。当天，双方进行编队空战76次，德军损失106架飞机，苏军损失98架。
在大量飞机的支援下，苏军成功地顶住了德军的进攻。在7月6日，苏军为收复失去的阵地并歼灭插入防线的德军，发动反攻。当天拂晓，苏军侦察机侦察了德军装甲部队、摩托化步兵和炮兵的集结地带后，轰炸机编队和强击机编队马上升空。它们向德军大量投掷反坦克炸弹、杀伤弹和爆破弹。十几辆德军坦克被炸毁后，苏军向德军发起了集团冲锋。
7月6日，苏军航空兵改进了指挥系统。苏军歼击航空兵第6军军长和近卫歼击航空兵第1师师长都亲临前线指挥所，指挥歼击机迎战。他们密切关注空战情况，经常投入新的歼击队编队来支援空战。苏军歼击机的巡逻空域包括德军阵地，结果德军轰炸机经常还未到达目标上空就遭到攻击。
德国空军寡不敌众，其攻势越来越弱。而苏联空军却不断得到加强和补充，出动架次比7月5日多了几倍。当天，在92次空战中，苏军击落德机113架。
从7月7日起，苏联空军完全掌握了制空权。 7月10日，德军在奥廖尔方向上的进攻严重受挫，被迫转入防御。
在奥廖尔方向的防御战役期间，苏军空军第16集团军出动飞机7600多架次，远程航空兵出动800架次，共歼灭德机517架，沉重地打击了德国空军，并使德军的进攻部队遭到重大损失。
在别尔哥罗德方向，在1200平方公里地区的上空，双方多次爆发空战。双方一次参战的飞机往往多达100-150架。
7月5日至10日，仅苏联空军第2集团军就参加了205次空战，击落德机330架，苏军损失153架。
苏军强击航空兵和轰炸航空兵的主力负责对付在近卫第6集团军防线内进攻的德军坦克。
7月5日、6日，苏军强击机和轰炸机以6-8机为小编队，空袭德军坦克。后来，苏军以30-40机编队集中空袭德军坦克。实践证明，大编队的防御力更强，苏军歼击机也更容易为大编队护航。大编队还可分出部分飞机去对付德军的高射炮。苏军机群对德军的集中轰炸使德军的进攻部队损失惨重。
7月7日，苏军强击航空兵第1军发动两次集中空袭，击退了在塞尔采沃、亚科夫列的德军装甲部队和步兵部队。
至7月10日，苏军地面部队在空军的有力支援下粉碎了德军的进攻，大量德军坦克被苏军飞机炸毁。
7月11日，苏军轰炸机群重创了德军进攻部队，还轰炸了德军火车站上的军列，击溃了从公路和土路前进的德军预备队，使德军预备队无法开赴战场。
7月12日，苏军反攻开始前1小时，苏军发动了40分钟的空袭，共出动了200多架飞机，集中轰炸了德军坦克和阵地上的火炮。
在普罗霍罗夫卡地区，苏军的坦克群与德军的坦克群遭遇，爆发了二战以来最大规模的坦克战。由于苏军坦克和飞机数量很多，德军坦克被击退。德军损失350多辆坦克和1万多人。
在别尔哥罗德方向防御战期间，苏军空军共出动飞机近两万架次，德机损失899架。
在强大的苏军航空兵打击下，德军的作战十分被动，德军进攻库尔斯克突出部的“堡垒”计划失败了。
7月12日，奥廖尔方向上，在西方面军近卫第11集团军反攻地带，苏军空军第2航空军出动70架轰炸机和48架强击机，对德军炮兵和防御工事进行了空袭。远程航空兵和夜间轰炸航空兵第213师也在晚上空袭了德军，出动362架次。
在布良斯克方面军的反攻地带上，苏联远程航空兵和夜间轰炸航空兵在晚上空袭了德军，狠狠地压制住德军的炮兵，摧毁了德军的防御工事，还轰炸了德军反冲突部队。
拂晓，各方面军进攻部队在苏联航空兵的支援下开始了反攻。苏联轰炸机和强击机以10-12机编队在歼击机的护航下，轮番升空作战，有力地压制住了德军的炮兵，炸毁大量德军坦克，炸死许多步兵。
苏军发动进攻1小时后，上空出现德军的轰炸机群。苏军近卫歼击航空兵第1军的歼击机马上迎战。它们勇敢地攻击了德军轰炸机，使德军轰炸机损失惨重。
当天，苏军航空兵出动飞机2000多架次，双方发生72次空战，击落86架德机，苏军损失59架。
另外，苏军空军第1和第15集团军主要负责空袭德军反攻部队，使德军损失很大。
此外，在诺沃西利以西地区，苏军航空兵也进行了强大的航空火力准备。苏军航空兵于7月11日晚共出动了轰炸机600多架次，对德军防御工事投掷了约550吨炸弹。12日凌晨，苏军强击机编队还向那里的德军发起空袭，压制住突破地段上的德军炮兵和反突击部队。在那里的苏军发起反攻前5分钟，89架轰炸机又向德军防御工事和炮兵阵地投掷了500枚爆破弹和3000多枚杀伤弹。苏军轰炸机、强击机和炮兵的集中攻击，使得德军无力抵抗，结果那里的苏军得以快速朝前推进。
7月19日，希特勒被迫调来大批飞机对付苏军坦克，德军轰炸机以8-35机为一个编队，在歼击机护航下向苏军战机扑来。苏军歼击机在空战中击落23架德机，德军轰炸机群掉头逃窜。苏军空军第16集团军每天出动飞机1000多架次，使德军遭受重大损失。
苏军地面部队开始追击德军后，苏联空军第15、16集团军和远程航空兵奉命追击德军。在苏军侦察机的召唤下，苏军强击机和轰炸机群轮番向克罗梅卡拉切夫公路上的德军和奥廖尔-霍蒂涅茨-卡拉切夫-布良斯克铁路线发动空袭。
苏军歼击机群轮番攻击德军。到了晚上，苏军航空兵仍持续空袭德军。从8月6-10日，苏军共炸毁德军60列列车和大量坦克及卡车等。
到了8月18日，苏军航空兵在36个昼夜出动6万多架次，向德军投掷了15000吨炸弹，歼灭德机1400多架。
在别尔哥罗德方向作战的德国空军为第４航空队、匈牙利第2航空兵军。在那个方向的苏联航空兵有空军第2集团军、空军第5集团军和远程航空兵部分兵力。
8月3日，沃罗涅日方面军和草原方面军开始了反攻。反攻前夜，苏军航空兵在突破地段发动了猛烈的空袭。8月3日晨，在地面部队反攻前两小时，苏军轰炸机和强击机在歼击机的护航下对德军防御工事进行了轰炸。接着，在苏军发起进攻前不久，苏军航空兵又有200多架飞机对德军进行了集中轰炸。
在苏军航空兵和炮兵的强大火力打击下，在苏军进攻的前30分钟内，德军炮兵基本上丧失了反抗能力。德军的个别炮兵曾开炮轰击，但很快就被苏军强击机炸毁。
德军调来大量飞机，想阻止苏军的攻势。德军轰炸机被迫分成小编队偷袭，轰炸正在进攻的苏军步兵和坦克。但战场上空的苏军歼击机数量庞大，德机群的轰炸任务无法完成。
反攻第1天，苏军航空兵出动2670架次，有力地支援了沃罗涅日方面军和草原方面军的作战。
曼施坦因立即将预备队从其他地方调往哈尔科夫和阿赫蒂尔卡。该调动被苏军侦察机发现，苏军调来大量飞机，炸毁铁路和公路，轮番轰炸行进中的德军预备队。苏军飞机成功地轰炸了沿线很多火车站，炸毁行进途中的很多军列和卡车。由于苏军飞机的轰炸，德军预备队遭受沉重打击。
在苏军机群的轮番轰炸和扫射下，8月21日，德军的反攻十分被动，大量坦克、汽车、火炮和迫击炮被炸毁。