Confundiendo al enemigo que continuaría su repliegue, de pronto giró hacia el sur y destruyó la vanguardia soviética, con un movimiento envolvente en martillo.

Además, los soviéticos colocaron en reserva grandes formaciones de blindados e infantería para luego pasar al contraataque.

Sin embargo, Hitler retrasó la operación a la espera de recibir los nuevos blindados Tiger, Panther y Ferdinand[25]​[26]​[27]​.

La contraofensiva continuaría hasta que se alcanzara el mar de Azov y las fuerzas soviéticas fueran eliminadas.

Hitler habló durante unos 45 minutos sobre las razones para posponer el ataque, esencialmente reiterando los argumentos de Model.

En su opinión, los limitados recursos alemanes en hombres y material deberían conservarse, ya que serían necesarios para la defensa pendiente de Europa occidental.

Sin embargo, la fuerza era marcadamente deficiente en las divisiones de infantería, que eran esenciales para mantener el terreno y asegurar los flancos.

[100]​ Decidieron enfrentarse al ataque enemigo preparando posiciones defensivas para desgastar las agrupaciones alemanas antes de lanzar su propia ofensiva.

[106]​[107]​ Los frentes Central y Vorónezh construyeron cada uno tres cinturones defensivos principales en sus sectores, cada uno subdividido en varias zonas de fortificación.

En la bolsa misma, los soviéticos reunieron una gran cantidad de tanques obtenidos a través del programa Lend-Lease.

Las campañas ofensivas anteriores se habían iniciado con ataques de la Luftwaffe contra aeródromos opuestos para lograr la superioridad aérea.

La mitad de los grupos Stuka asignados para apoyar a Ciudadela estaban equipados con estos aviones Kanonenvogel (literalmente «cañón-pájaro»).

[142]​ Para la operación, los alemanes utilizaron cuatro ejércitos junto con una gran parte de la fuerza blindada total del frente oriental.

Si se produjera un gran avance, el más breve retraso en traer las divisiones Panzer daría tiempo al Ejército Rojo para reaccionar.

[204]​[205]​ El 9 de julio se celebró una reunión entre Kluge, Model, Joachim Lemelsen y Josef Harpe en la sede del XLVII Cuerpo Panzer.

[188]​ A los comandantes alemanes les quedó claro que el 9.º Ejército carecía de fuerzas para lograr un gran avance, y sus homólogos soviéticos también se habían dado cuenta de esto, pero Kluge deseaba mantener la presión sobre los soviéticos para ayudar a la ofensiva del sur.

[153]​ Los soviéticos habían construido tres cinturones defensivos fuertemente fortificados para frenar y debilitar las fuerzas blindadas de ataque.

El regimiento varado fue sometido a un bombardeo de artillería y fuego antitanque soviéticos, que infligió numerosas bajas.

Los ingenieros se movieron y despejaron caminos a través del campo minado, pero sufrieron bajas en el proceso.

Además, el avance fue bien apoyado por la Luftwaffe, que ayudó enormemente a romper los puntos fuertes soviéticos y las posiciones de artillería.

[235]​[236]​ Esto marcó la primera vez en la historia militar que una formación de tanques atacantes había sido derrotada solo por el poder aéreo.

[248]​ En este punto, Hoth desvió al II Cuerpo Panzer SS de Oboyan para atacar hacia el noreste en dirección a Prójorovka.

[251]​ Una vez al otro lado, Breith hizo todo lo posible para empujar tropas y vehículos a través del río desde el sur.

[254]​[255]​El 4.º Cuerpo Panzer y el "Destacamento Kempf" ya habían hecho los preparativos para la retirada, que comenzó la tarde del 16.

Aunque el contraataque soviético falló con grandes pérdidas, devolviéndolos a la defensiva, hicieron lo suficiente para detener un avance alemán.

Hitler rechazó el plan, pero Manstein insistió: argumentó que sus fuerzas estaban a punto de lograr un gran avance en su sector sur.

El enlace no logró atrapar a las fuerzas soviéticas que se habían retirado, aunque abandonaron una cantidad sustancial de sus armas antitanque.

[254]​[255]​El 4.º Cuerpo Panzer y el "Destacamento Kempf" ya habían hecho los preparativos para la retirada, que comenzó la tarde del 16.

Karl-Heinz Frieser, quien revisó el registro del archivo alemán, calculó que durante la operación Ciudadela se sufrieron 54 182 bajas.

Al enfrentarse a la operación Kutuzov, 14 215 hombres murieron, 11 300 fueron reportados como desaparecidos (presuntamente muertos o capturados) y 60 549 resultaron heridos.