5月3日，曾在莫斯科战役后被免职，于1943年2月被重新起用为国防军装甲兵总监的海因茨·古德里安上将，和南方集团军总司令曼施坦因、中央集团军总司令克鲁格、第7集团军总司令莫德尔上将、军需生产部长阿尔伯特·施佩尔等人，被招至慕尼黑开会。陆军参谋总长蔡斯勒正式提出了代号“堡垒”（Citadel），即在库尔斯克突出部实施一个双重包围的作战计划。此计划已经由希特勒本人在4月15日加以签署，其目的在于“最大限度地将进攻兵力集中使用于狭窄的正面”，试图围歼苏军中央方面军和沃罗涅日方面军主力。
为了完成这一前所未有的宏大攻势，德军投入了“一切可以投入的兵力与装备”。从北面奥廖尔附近发动进攻的是中央集团军群下属，由莫德尔指挥的第9集团军，包括第20、23步兵军，第41、46、47装甲军，与作为预备队的第2集团军。从南线别尔哥罗德附近发动攻势的是南方集团军下属，由曼施坦因指挥的霍特第4装甲集团军，下辖第52步兵军，配备有“东线消防队”之称的特编师“大德意志”（Grossdeutschland）装甲掷弹兵师的第48装甲军，以及精锐的武装党卫军第2装甲军（包括武装党卫军第1阿道夫·希特勒警卫旗队师、第2帝国装甲掷弹兵师以及第3骷髅装甲掷弹兵师）。在48装甲集团军东面提供策应的则是肯普夫兵团，南北两线德军合计17个装甲师、3个装甲掷弹兵师与16个步兵师，总兵力达到78万人，装备2928辆战车与突击炮，受到超过8000门火炮的支援。
除了陆军部队外，德军空军还将整个东线约2/3的航空兵力投入了库尔斯克会战。配备Bf109G-4/6战斗机的第3“乌德特”、第52战斗航空联队，装备Fw190A-2/3/4/5/6的第51战斗航空联队，配备Fw 190A-5/F-3、Hs 129B-2、Ju 87G-1的大量精锐对地攻击机中队，尤其是全新式、被称为“大炮鸟”、携带两门发射钨钢合金穿甲弹37毫米反坦克炮的Ju-87G对地攻击机，已经被证明是有效遏制数量逐渐占优的苏联坦克集群的利器。以上总计1800多架飞机，连同其身经百战的驾驶者，甚至包括一些来自德国国内的试飞飞行员新手，都被集中到了这里。这些部队被编入第8航空军和第1航空师。
赌注越大，则顾虑越多。古德里安在回忆录中记述说，包括自己在内，德军高层反对意见不断，莫德尔上将声称根据空中侦察航拍照片所显示的结果，苏军已经构筑了大纵深和坚强的防御工事来保卫这一突出部地区，古德里安则担心，好不容易有所起色的德军战车产量应当预留做防卫盟军登陆的西线机动预备队，而非损失在这场苏军已经有所察觉，且面对纵深防御体系的攻势中。曼施坦因也在战后承认，“堡垒”行动如果在四五月间实施，效果会“非常理想”，由于春季融雪与降雨造成的泥泞土地已经变得足够干燥，苏军的纵深防御体系与机动性装甲部队的整补训练也未完成，然而如果推迟到7月，则显得太迟，德军完全失去了机动作战与战术指挥上的优势，与兵力占优、在工事中以逸待劳的苏军正面硬碰，胜算显然不高。
尽管如此，希特勒顽固地认为，凭借德军相对高超的战术素养，以及全新的黑豹中型坦克、虎式重型坦克以及“斐迪南”象式重型坦克歼击车，“堡垒”行动的天平肯定会倾向德军一方。豹式坦克（Pzkw V panther）由MAN公司研发，重量45吨，其目的直接是为了对抗苏军性能优秀的T34中型坦克，其车体也采用了与对手类似的大倾角装甲板焊接工艺，配备了性能卓越的KWK42型70身倍口径75毫米坦克炮，在1350米距离上能够击穿118毫米厚度的垂直装甲，甚至能在2000米的远距离轻松击穿T34坦克的炮塔正面装甲，炮塔防盾装甲达到了120毫米，借助迈巴赫HL230P30 V-12汽油发动机，豹式坦克的时速能够达到惊人的46公里。
由亨舍尔公司开发的虎式重型坦克，则采取了相对简单的箱形外观，主炮为88毫米KwK36L/56倍身管口径坦克炮，备弹量92发，车体前部和炮塔前部装甲厚度达到了惊人的102毫米与110毫米，车重达到56吨。在1943年初的罗斯托夫与哈尔科夫攻防战中，虎式坦克轻松地完胜苏军的T34中型与KV1重型坦克。而拥有固定炮塔的“斐迪南”坦克歼击车则在1942年竞标中失败的90辆保时捷公司虎式坦克底盘上改装而成。