八月十一日德军已经集结完毕，并补充了充足的弹药和燃料，曼斯坦因开始反攻，而此时苏军的坦克部队仍处于追击状态，各部队之间分散很广，而步兵和炮兵仍在后方，且经过多日激战，弹药和燃料都已严重不足，更重要的是苏军对德军的进攻未有察觉。苏军正在重犯五个月前在哈尔科夫战役的错误。十一日晚苏第一坦克集团军的第四十九坦克旅和第十七坦克团被德军围歼，由于苏第五近卫坦克集团军的及时赶到，避免了第一坦克集团军的全军覆灭。十二日在德军的进攻下，苏军被迫后退，随后苏第六近卫集团军的第六坦克军在十四日被德军包围遭到惨败。
战斗到八月十七日，双方都遭受了巨大损失，德军的反击虽然给苏军以重创，但曼斯坦因却没有力量进一步扩大战果，而苏军数量上的优势再次起到了决定性的作用，他们很快又恢复了进攻。其后德军的反攻再也没能给苏军造成威胁。十九日苏军攻抵哈尔科夫西面的乌德河北岸，并于二十日强渡乌德河，在南岸建立了桥头堡。攻打哈尔科夫的战斗异常激烈，强大的苏第五近卫坦克集团军最后只剩下了五十辆坦克。二十二日晚苏第五十三集团军率先攻入城内，德军开始全面撤出哈尔科夫，退向第聂伯河的防线，沿途他们破坏了所有公路、铁路和桥梁，污染了水源、焚烧一切农作物，毁坏了建筑物。苏军于二十三日收复哈尔科夫。
别尔哥罗德—哈尔科夫战役中，苏军歼敌约二十万人，自身损失也达二十五万五千五百六十六人，坦克一千八百六十四辆, 火炮四百二十三门，飞机一百五十三架。
﹙3﹚结果影响
库尔斯克会战中，德军三十个精锐师包括七个坦克师被击溃，其余的遭受重创。损失兵力五十多万人，损失坦克约一千五百辆，损失火炮和破击炮三千门，损失飞机三千七百架。会战的失利使纳粹德国永久性地丧失了战场主动权，此后德军再也没有在东线发起有威胁的攻势。