Артиллерийская подготовка шла в тесном взаимодействии с авиацией, которая группами по 20-30 самолётов непрерывно бомбила и обстреливала артиллерийско-пулемётным огнём 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».
Немецкий тяжелый танк PzKpfw VI «Тигр» из состава 503-го танкового батальона в районе Белгорода. Август 1943 г.
В первый же день наступления войск Воронежского фронта оборона противника на направлении главного удара была прорвана на всю тактическую глубину. Пехота 5-й и 6-й гвардейских армий продвинулась на 8-12 км. Танковые соединения Воронежского фронта были вынуждены допрорывать вторую полосу обороны противника вместе с пехотой. Ввод в бой, а не в чистый прорыв существенно снизил темп наступления танковых армий относительно плана операции. 1-я танковая армия продвинулась всего на 12 км. Намного лучше в первый день наступления действовала 5-я гв. танковая армия. Развивая успех, ее танки прорвались на глубину 20-25 км.
По схожему сценарию развивались события в полосе наступления Степного фронта. Бывший командующий оборонявшегося в районе Белгорода XI корпуса Эрхард Раус вспоминал: «Ко времени, когда вся легкая артиллерия противника и значительная часть тяжелых минометов открыли огонь, действие приобрело вид шабаша ведьм. Сосредоточенный на небольшой площади, этот дьявольский огонь уничтожил все оборонительные сооружения и укрытия на позиции. Вырванные с корнем и разломанные стволы деревьев покрывали землю, делая для выживших немецких солдат любые передвижения невозможными. Они могли лишь, вжавшись в воронки от разрывов, искать спасения от адского огня и ждать неизбежной атаки советской пехоты».
Несмотря на сильный удар артиллерии, войскам Степного фронта под Белгородом не удалось добиться решительного успеха.