Убедившись в невозможности преодолеть сопротивление 1-й танковой армии на обоянском направлении, немецкое командование с 10 июля прекратило дальнейшие попытки прорваться на Курск через Обоянь. Выставив заслоны против 1-й танковой и 6-й гвардейской армий, немцы начали перегруппировывать основные свои силы с обоянского на прохоровское направление. Кроме того, немецкие войска, действовавшие на корочанском направлении, должны были направить свои основные усилия также на Прохоровку. Тем самым противник стремился слить усилия своих группировок, действовавших на главном и вспомогательном направлениях, с тем чтобы окружным путем прорваться к Курску.
В целях срыва немецкого наступления на прохоровском направлении, а также для того, чтобы иметь наготове ударные группировки при переходе в контрнаступление, Ставка Верховного Главнокомандования 9 июля приказала командующему Степным фронтом направить на белгородско-курское направление три армии: 27-ю армию с 4-м гвардейским танковым корпусом – в район Курска; 53-ю армию с 1-м мехкорпусом – на первый фронтовой рубеж Воронежского фронта, проходивший по реке Сейм; 5-ю гвардейскую общевойсковую армию – на рубеж (исключительно) Обоянь, Прохоровка. Кроме того, 5-й гвардейской танковой армии было приказано из района Салтыково, Меловое, Орлик совершить за день 100-километровый марш, с тем чтобы к исходу 9 июля сосредоточиться в районе Бобрышево, Александровский, Большие Сети. С выходом 5-й гвардейской танковой армии в указанный район ей были переданы в оперативное подчинение 2-й гвардейский Тацинский танковый корпус и 2-й танковый корпус. Оба эти корпуса имели в своем составе около 200 исправных танков. Таким образом, к началу боев в районе Прохоровки 5-я танковая армия имела в своем составе 793 танка, из них 501 танк Т-34, а остальные – Т-70.
С воздуха войска этих двух армий прикрывались тремя зенитными артиллерийскими дивизиями (6, 26-й и 29-й) и тремя отдельными полками МЗА, имевшими в общей сложности 48 орудий среднего и 192 орудия малого калибра. За счет этих средств на прохоровском направлении (на участке в 24 км) была создана плотность зенитной артиллерии в десять орудий на 1 км фронта.
К этому времени немецкое командование успело сосредоточить в районе западнее Прохоровки крупную группировку своих войск, насчитывавшую более 700 танков, в том числе свыше 100 танков «Тигр», и тяжелых самоходных орудий «Фердинанд». Таким образом, по количеству танков соотношение сил было примерно равным, но в тяжелых танках противник имел перевес.
В ночь на 11 июля командующий Воронежским фронтом принял решение мощным контрударом разгромить главную группировку врага и восстановить ранее занимаемое положение. С этой целью 5-й танковой армии была поставлена задача – нанести во взаимодействии с 5-й общевойсковой армией контрудар в направлении Грезное, Яковлево; 1-й танковой армии силами 10-го и 5-го танковых корпусов во взаимодействии с войсками 6-й гвардейской общевойсковой армии нанести контрудар через Покровку также на Яковлево. Готовность войск к нанесению контрудара устанавливалась к утру 12 июля.
Ширина полосы 5-й гвардейской танковой армии для нанесения контрудара составляла 10 км, а глубина ее задачи на 12 июля – около 25 км.
По решению командующего 5-й танковой армией контрудар предусматривалось нанести в двухэшелонном построении. В первом эшелоне находились 18-й и 29-й танковые корпуса и во втором эшелоне – 5-й гвардейский мехкорпус. Приданный армии 2-й танковый корпус, находясь в обороне в непосредственном соприкосновении с противником, должен был прикрыть выход в исходные районы 18-го и 29-го танковых корпусов, а с началом контрудара прикрывать их правый фланг наступлением на Сухо-Солотино. Левый фланг армии прикрывался 2-м гвардейским танковым корпусом, имевшим задачу нанести удар из района восточнее Ясной Поляны на Яковлево.
Боевые порядки корпусов были также глубоко эшелонированными, что видно из построения 18-го танкового корпуса. Корпус был построен в три эшелона. Ширина его полосы для нанесения контрудара равнялась 5 км. В первом эшелоне находились 181-я и 170-я танковые бригады, во втором – 32-я мотострелковая бригада и 36-й гвардейский танковый полк, в третьем – 110-я танковая бригада и мотоциклетный батальон.
Такое глубокое построение армии и корпусов обеспечивало наращивание силы из глубины и давало возможность сохранять общее превосходство над противником до успешного выполнения поставленной задачи.
До начала контрудара 2-я и 17-я воздушные армии силами штурмовых и бомбардировочных корпусов под прикрытием истребителей провели непосредственную авиационную подготовку по боевым порядкам танков, артиллерии и пехоты противника. Всего было произведено 1002 самолето-вылета. Одновременно 5-й истребительный корпус патрулированием в воздухе прикрывал главные силы 5-й гвардейской танковой армии от воздействия вражеской авиации.
Боевые действия 5-й танковой армии при нанесении контрудара приняли характер встречного сражения, поскольку одновременно с началом контрудара противник, в свою очередь, с двух сторон перешел в наступление на Прохоровку. Из района западнее Прохоровки наступали четыре танковые и одна пехотная дивизии, а из района Рокавец на Прохоровку с юга – три танковые дивизии.
Действия 5-й танковой армии во встречном сражении развивались на двух направлениях: западнее Прохоровки действовали главные силы армии, а южнее Прохоровки – два отряда, объединенные под общим командованием заместителя командующего 5-й танковой армией. В состав одного отряда вошли 11-я и 12-я механизированные и 26-я танковая бригады, а также части 92-й гвардейской и 375-й стрелковых дивизий. Второй отряд состоял из 53-го гвардейского танкового полка, 1-го гвардейского мотоциклетного полка, 689-го истребительно-противотанкового артполка и 678-го гаубично-артиллерийского полка.
Боевые действия главной группировки 5-й гвардейской танковой армии западнее Прохоровки начались в 8 ч 30 мин 12 июля наступлением 18-го и 29-го танковых корпусов. Поддержанные массированными ударами артиллерии и авиации, 18-й танковый корпус силами 181-й и 170-й танковых бригад нанес удар с северовостока на совхоз «Октябрьский», а 29-й танковый корпус силами 32-й и 21-й бригад – с юго-востока. Сломив сопротивление контратакующих частей противника, бригады концентрическими ударами к 14 ч 00 мин этого дня овладели совхозом «Октябрьский».
В то время, когда шли бои за совхоз «Октябрьский», противник, в свою очередь, перешел в наступление на участке Красный Октябрь, Козловка. Прорвав оборону 52-й стрелковой дивизии, начал развивать наступление в северо-восточном направлении.
Для срыва этого наступления противника и охвата правого фланга его наступавших войск командующий 5-й танковой армией по приказу командующего фронтом направил 18-й танковый корпус в направлении Андреевка, Васильевка. Выделив вперед в качестве передового отряда 181-ю бригаду, 18-й корпус после овладения совхозом «Октябрьский» приступил к выполнению указанной задачи. Разгромив на своем пути отдельные танковые группы противника, главные силы корпуса к 17 ч 00 мин захватили Андреевку, а его передовой отряд (181-я бригада) с ходу атаковал двигавшуюся вражескую колонну танков из 40 машин и, разгромив ее, овладел Васильевкой. Успешным выполнением поставленной задачи 18-й танковый корпус вынудил наступавшие с рубежа Красный Октябрь, Козловка войска противника в районе высоты 226, Полежаев перейти к обороне. Важную роль в срыве этого наступления немцев сыграла также 95-я гвардейская стрелковая дивизия, упорно оборонявшая район Полежаев.