库尔斯克西北部边境地区传来炮火轰鸣声，随后战火迅速蔓延至整个边境线。双方在数小时内投入大量兵力，库尔斯克地区的多个战略要点同时爆发激烈交火，别尔戈罗德以南30公里处的交通枢纽争夺激烈。
俄方在此次行动中投入约10万军力，其中包括第一近卫坦克集团军和第二近卫摩托化步兵师等部队。俄军出动500辆T-90主战坦克，这些坦克配备“通道-M”主动防护系统，可拦截来袭反坦克导弹。俄军还部署800门各型火炮，包括2S19“槭树”152毫米自行榴弹炮和TOS-1A“太阳神”重型火箭炮系统，以及200架作战飞机，其中包括苏-35战斗机和苏-34战斗轰炸机。
战役初期，俄军采取北、东、南三方向同时发起进攻的战术部署。北方战线由第一近卫坦克集团军主攻，东线由第二近卫摩托化步兵师负责突破，南线则由空降部队实施包抄。这种三面夹击的战术旨在形成对乌军的包围态势，切断其后勤补给线和可能的撤退路线。
乌方在获知俄军集结后，调集约8万兵力进入防御阵地。乌军在库尔斯克地区构筑三道纵深防线，第一道防线主要由反坦克壕沟、混凝土碉堡和地雷阵组成；第二道防线设置多个火力点和装甲部队集结区；第三道防线则是最后的战略撤退保障线，沿途布设大量反坦克武器系统。
乌军主要依靠西方援助的装备，包括约300枚“标枪”反坦克导弹和200枚“毒刺”防空导弹。乌军还在关键地段部署M777榴弹炮和HIMARS多管火箭炮系统，用于实施远程火力支援。
战役开始后的48小时内，双方在库尔斯克西北部的卡拉恰地区展开争夺。俄军装甲部队在空军掩护下试图突破乌军第一道防线，乌军则利用地形优势和反坦克武器进行抵抗。截至2月17日，俄军已经在多个突破口取得进展，突破乌军第一道防线，并向纵深推进约15公里。
随着战役进入第二阶段，俄军各个方向的进攻部队开始协同行动，逐步形成对乌军的包围态势。北方战线的俄军装甲集群突破乌军设置的反坦克区域，向东南方向推进25公里，切断乌军前沿部队与后方的重要补给线。东线俄军也取得突破，攻占一处战略高地。
俄军出动苏-34战斗轰炸机和苏-35战斗机，对乌军防御阵地实施超过500次的打击。俄方公布的战场数据显示，这些空袭摧毁乌军30个关键防御据点，包括指挥中心、弹药库和通信中继站。在库尔茨地区的空袭行动中，俄军使用KAB-500导向炸弹，对乌军的装甲集结区实施打击。
俄军特种部队小分队深入乌军防线后方，切断各部队之间的联系。第三近卫摩托化步兵师的机动部队向前推进，占领多个战略交通节点。俄军工程部队快速排除障碍，为后续重装备部队前进开辟通道。
面对日益紧缩的包围圈，乌军进行抵抗。乌军在多个关键地段组织反击。在东北部的库皮亚第三防线，乌军装甲部队实施一次反冲击，一度突破俄军防线，但因兵力不足而被迫撤回。
乌军曾组织5次小规模的突围行动，试图打开一条撤退通道，但被俄军拦截并击退，约1500名乌军士兵和50辆装甲车试图从南线突围，但在遭遇俄军火力封锁后，损失惨重，放弃突围。
在库尔斯克西南部的某高地争夺战中，双方展开争夺，控制权在48小时内交替变换达7次。这处高地因其战略位置重要，成为双方必争之地。在最后一次争夺中，俄军投入一个加强营的兵力，在炮火支援下控制该高地。战地医院的统计显示，仅在这一高地争夺战中，乌军就有约500人伤亡，装备损失。
随着战局的发展，俄军包围圈逐渐缩小，包围圈面积已从最初的约850平方公里缩减至不足200平方公里。被包围的乌军处境艰难，补给线被切断，弹药和燃料短缺，战斗力下降。
此次战役中乌军确认死亡人数达3万，还有约2万名乌军士兵在战斗中受伤，其中重伤者占比达到40%。
库尔斯克包围区内的战场遍布乌军装备残骸。乌军在此次战役中被摧毁的主战坦克达400辆，约占其在该地区部署总数的80%。装甲车辆损失达600辆，其中包括西方提供的布拉德利步兵战车和“黄蜂”装甲运兵车。乌军还损失火炮系统和防空设备，包括15套S-300防空系统和12套“山毛榉”防空系统。
俄军情报系统通过电子侦察手段，定位乌军前线指挥中心的位置。随后，俄军出动精确制导武器，对该指挥中心实施突袭，乌军最高统帅被俘。该指挥中心内的5名高级将领也全部被俘，其中包括两名军团级指挥官和三名师级指挥官。
失去高级指挥层后，前线乌军各部队之间的协调能力下降，战场指挥出现混乱。多个部队在失去统一指挥后各自为战，防线崩溃。
俄军电子战部队对乌军的军用通信频段实施干扰，使得前线部队无法与后方建立有效联系。在这种情况下，乌军各部队不得不使用民用通信设备，暴露自身位置。
俄军对乌军的补给线路实施打击，摧毁多个关键物资集散点和燃料库。一份前线战况报告显示，在战役最后阶段，被包围的乌军部队弹药储备已降至警戒线以下，许多装甲车辆因燃料耗尽而被迫废弃。
由于伤亡人数远超预期，前线医疗设施超出负荷。许多轻伤员无法得到及时治疗，部分重伤员因为无法撤离而错过最佳救治时间。仅在战役的最后三天，就有约800名乌军伤员因延误救治而死亡。
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