К исходу 2 августа войска Воронежского и Степного фронтов закончили подготовительные мероприятия и согласно плану операции заняли исходное положение для наступления. Для немцев оно было в значительной степени неожиданным. Командующий группой армий «Юг» Манштейн впоследствии писал:
«Мы надеялись в ходе операции «Цитадель» разбить противника настолько, чтобы рассчитывать на этом фронте на определенную передышку. Однако эта надежда оказалась потом роковой для развития обстановки на северном фланге группы, так как противник начал наступление раньше, чем мы ожидали».
Неожиданным наступление стало не только для штаба группы армий «Юг», но и для немецких солдат в передовых окопах. Артиллерийская подготовка открылась мощным пятиминутным налетом всех огневых средств по переднему краю немецкой обороны. Налет продолжался с 5.00 до 5.05 3 августа, т. е. еще до полного рассвета. Поэтому он оказался для немцев неожиданным и застал их врасплох. С 5.05 до 5.35 в ожидании полного рассвета была взята пауза. После этого орудия загрохотали вновь. Артиллерийская подготовка продолжалась три часа.
В финале артиллерийской подготовки немцев ждал еще один сюрприз. С 7.55 до 8.15 все орудия и минометы вели огонь нарастающими до предела темпами по передовым траншеям противника. Одновременно, также в 7.55, советская пехота начала сближение и выход к первым траншеям. По сигналам пехотных подразделений огонь орудий тяжелых калибров постепенно переносился («сползал») с переднего края в глубину немецкой обороны.
Артиллерийская подготовка шла в тесном взаимодействии с авиацией, которая группами по 20–30 самолетов непрерывно бомбила и обстреливала артиллерийско-пулеметным огнем боевые порядки противника, а также места расположения его резервов и артиллерии.
В 8.15 пехота и танки прорыва, следуя за огневым валом, ворвались в передовые траншеи. В 13.00, как только пехота 5-й гвардейской армии Воронежского фронта вклинилась в главную полосу обороны противника примерно на 2 км, были введены в сражение 1-я и 5-я гвардейская танковые армии. Их задачей было завершить прорыв тактической зоны вражеской обороны и основными силами развивать успех в оперативной глубине. Они вводились на узком 5-км фронте.
Командующий 1-й танковой армией Катуков позднее вспоминал: «В памяти моей запечатлелось грандиозное движение советских танков, вошедших в прорыв. Мы шли по правой стороне пятикилометрового коридора двумя корпусными колоннами. Слева таким же порядком двигалась 5-я гвардейская [танковая] армия. Нас прикрывала с воздуха эскадрилья «яков». Между колоннами сохранялась зрительная связь. За всю войну еще никто из нас не видел такого скопления советских танков на столь узком участке фронта».