5日凌晨2时20分，继南线的红军第6、第7近卫集团军后，北线的中央方面军第13集团军也开始炮击德军前进阵地，此时距德军预定炮火准备仅有10分钟。“片刻之间，方才还沉寂的大地震动起来！”一位苏军师长后来描述道，“炮轰越来越凶猛！西部一片昏暗，爆炸的火光划破浓密的灰黑色的烟尘，犹如一座不祥的黑墙升向天空。不朽的但丁尽管有惊人的想象力，也未必能在他的《神曲》中这样来描写地狱。我走到一个离指挥所100米远的炮兵连。由于谁也听不到讲话的声音，人们只得打手势比画。大家都把嘴张开，否则会把耳膜震破。肌肉发达的士兵身体晒得黑黑的，因为他们热得脱掉军便服和衬衣，浑身汗水在火炮映照下闪闪发光。发射速度达到了极限。”实施炮击的第13集团军战线长32公里，对面是德军第9集团军所属第41、47装甲军。炮击部队除了加强炮兵（包括第4突破炮兵军）外，还有第1梯队各步兵师炮兵，总计967门火炮与迫击炮、100门BM-13火箭炮。虽然苏军的反击炮火并未给德军造成重大损失，但却迫使其两线发动攻势的时间推迟了2～3小时。在隆隆炮声中，朱可夫在指挥部接到了斯大林从莫斯科打来的电话：“开始了？——开始了！”
首日——钢火熔炉
4时30分，德军第9集团军开始了长达80分钟的炮火准备。空中和地面同时倾泻而来的凶猛火力，把苏军阵地笼罩在烈火中。凌晨5时30分，德军开始了他们的攻击。德军左翼的第23军首先实施了牵制性进攻，以2个步兵师（第78突击师、第216步兵师，及第36步兵师一个团）攻击苏军第13和48集团军的结合部，配合进攻的有63辆强击火炮。另外还有第811、813装甲工兵连（每连装备96辆“哥利亚”无线电控装甲爆破车、12辆SPW251半履带装甲运兵车），结果仅突入了苏军的第一条壕堑，前进了1.5公里便被阻止了，并且伤亡惨重，第78突击步兵师第195团进攻最初两天就损失了全部连长。在右翼，德军第46装甲军也对加拉宁指挥的红军第70集团军实施了进攻。在中央方向，是莫德尔的主攻力量，他投入了第47、41装甲军的7个师（4个装甲师）。其中4个师以及强大的重型战车部队从第一线发动进攻；西侧，第20装甲师和第6步兵师与第505重型坦克营，进攻奥利霍瓦特卡方向；东侧，第292、86步兵师（加强有第656重型坦克歼击团、第216突击坦克营）进攻铁路枢纽波内里。
在20公里宽的狭窄正面上，6万余德军、近400辆坦克和强击火炮（其中包括31辆“虎”、89辆“斐迪南”、45辆“灰熊”）汹涌而来！虎式重型坦克首先出现，在这些钢铁巨兽的后面，很快涌出了数百辆德国中型坦克和半履带装甲输送车。在地面炮火以及第1航空师密集机群的配合下，虎式重型坦克和第一次上阵的“斐迪南”重型突击战车，以坚固的正面装甲弹开雨点般迎面射来的苏军炮弹，引导着由数百辆坦克与强击火炮组成的巨大钢铁洪流，如同撞城锤一样狠狠冲向苏军阵地。德军坦克手们遵守着如下原则：坦克在任何时候都不能停止不动。即使坦克被损毁，但火炮还能使用，就要在原地用火力支援冲击。
经过一天的激战，德国第9集团军终于在苏军第13和70集团军之间15公里正面取得突破，并在第13集团军防线内推进了6～8公里，逼近奥利霍瓦特卡以北15公里处的苏军第二防御地带。为此德国人付出了沉重的代价。根据莫德尔上报的不完全统计，第9集团军当天战斗伤亡就达7223人。
5日凌晨5～6时，经过50分钟的炮火准备和Ju87斯图卡俯冲轰炸机的空中压制后，南线德军的攻击也终于发动，“大德意志”师从格尔采夫卡和布托沃一线出击，直指正北的切尔卡斯科耶，由于遭到了层层地雷区和反坦克壕沟的阻碍，以及反坦克火力和空中打击，“大德意志”师在进攻第一天就有一半的坦克被毁伤，其中被寄予厚望的豹式坦克由于频繁的机械故障，只剩80辆可以战斗，“大德意志”师下属掷弹兵团团长埃里希·卡斯尼茨上校、团副官贝克恩多夫上尉、“大德意志”装甲团第2营营长绍尔马少校等诸多中高级军官均战死。
位于“大德意志”师以东的党卫军第2装甲军的攻势，也遭遇了苏联红军的顽强阻击。阿道夫·希特勒警卫旗队师被分成了两个巨大的装甲集群楔子，右翼是一级突击大队长阿尔贝特·弗赖（Albert Frey）指挥的第1装甲掷弹兵团，在一个坦克歼击车连和高炮连的支援下，沿亚洪托夫西北的河谷推进，突破苏军第一道防线后，继续进攻雅科夫列沃；左翼是党卫队一级突击大队长胡戈·克拉斯（Hugo Kraas）指挥的第2装甲掷弹兵团，以装备了虎式重型坦克的第13坦克连和31辆三号突击炮G型的第1突击炮营为先导，向贝科夫卡进攻。一位虎式重型坦克的车长在日记里记载说，苏军密集的反坦克炮火从四面八方袭来：“穿甲弹击打在虎式坦克坚实的装甲之上，发出尖锐锵的一声后，变成一道白光，直射天际。如果俄国人不开火，这些精心伪装而又危险的火炮几乎永远不可能被发现，有些俄国人甚至不惜等到近距离才开火，迫使我们迅速停车、定位，进行精确射击。”