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。
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