СС, насчитывая 101 танк, 21 штурмовое орудие, 50—60 орудий полевой артиллерии, причем для поддержки ей был придан еще 1-й учебный полк реактивных минометов434.
Советская оборона против вражеского плацдарма на северном берегу Псела была образована подразделениями 11-й мотострелковой бригады 10-го танкового корпуса (три мотострелковых батальона — один на южном берегу Псела в селах Васильевка и Андреевка и два батальона — на высоте 226,6), а также 52-й гвардейской стрелковой дивизии со средствами усиления (три стрелковых полка, развернутые на участке от хутора Полежаев до высоты 226,6, при поддержке 496-го истребительно-противотанкового артиллерийского полка и батальона противотанковых ружей). Во втором эшелоне, на участке хутор Веселый — Ключи — высота 236,7 — совхоз имени Ворошилова, была развернута 95-я гвардейская стрелковая дивизия 33-го гвардейского корпуса, предназначенная для нанесения решающего удара по вражескому плацдарму на северном берегу Псела (в состав дивизии был возвращен ее 287-й гвардейский стрелковый полк, который к 8 часам утра 12 июля передислоцировался из-под Прохоровки к хутору Веселый). Кроме того, в районе Средней Ольшанки (севернее Карташевки) была сосредоточена 6-я воздушно-десантная гвардейская стрелковая дивизия, составлявшая армейский резерв.
Части дивизии «Мертвая голова» начали свою атаку около 5:30 12 июля, задействовав свыше 30 танков в двух боевых группах, и к 6 часам прорвали позиции 155-го стрелкового полка 52-й гвардейской стрелковой дивизии в районе высоты 226,6. После этого эсэсовцы стали свертывать оборону противника в сторону флангов, продвигаясь на север в двух расходящихся направлениях — на хутора Веселый (группа из 18 танков 1-го танкового батальона под командованием гауптштурмфюрера СС Хуберта Мейердресса (Hubert-Erwin Meierdress) и Полежаев (группа из 15 танков 2-го танкового батальона гауптштурмфюрера СС Фридриха (Фрица) Бирмейера (Fritz Biermeier). Прорыв эсэсовцев облегчило то, что подразделения 52-й гвардейской стрелковой дивизии утром перегруппировывались для начала контрудара (к тому времени дивизия насчитывала 3380 военнослужащих строевого состава435), причем 153-й гвардейский стрелковый полк уже переправился на южный берег реки Псел в полосу наступления 5-й гвардейской танковой армии, чтобы принять участие в атаке на Михайловку. Это открыло юго-западные подступы к высоте 226,6. Полки 95-й гвардейской стрелковой дивизии к началу вражеской атаки также выдвигались на рубеж развертывания, готовясь наступать, поэтому им спешно пришлось переходить к обороне под огнем противника. Интегрально 95-я гвардейская дивизия являлась одной из наиболее хорошо укомплектованных и оснащенных среди всех соединений 5-й гвардейской армии — в ней насчитывалось более 8,7 тысячи военнослужащих, 165 станковых пулеметов и 218 противотанковых ружей, 96 орудий и 170 минометов, 188 автомашин, 923 лошади436. В совокупности с частями 52-й гвардейской стрелковой дивизии и 11-й мотострелковой бригады эти силы и по количественному составу, и по вооруженности превосходили боевые группы дивизии «Мертвая голова», к тому же атаковавшие с плацдарма на северном берегу Псела. Однако упреждающий удар немцев дезорганизовал управление советских войск, вынудив их командный состав перестраивать свои действия от наступательных к оборонительным в условиях дефицита времени и напряженной боевой обстановки.
С другой стороны, осуществив прорыв, командование дивизии «Мертвая голова» было вынуждено приостановить атаку, поскольку у соседа на правом фланге сложилась неопределенная ситуация с отражением контрудара соединений 5-й гвардейской танковой армии. Танки дивизии выдвинулись на юго-восточные скаты господствующих высот северного берега реки Псел и открыли оттуда фланкирующий огонь по атакующим частям 18-го танкового корпуса 5-й гвардейской танковой армии. Только к 12 часам, когда наступление советских танковых корпусов приостановилось, немцы сосредоточили основные силы для выхода к рокадной дороге Прохоровка—Береговое—совхоз имени
Ворошилова—Карташевка, а также на правом фланге, для овладения хутором Полежаев.
Около 12 часов 40—60 танков (танковый полк дивизии «Мертвая голова» под командованием штурмбаннфюре-ра СС Георга Бохманна (Georg Bochmann) при поддержке панцер-гренадерского полка «Теодор Эйке» прорвали оборону 95-й гвардейской стрелковой дивизии севернее хутора Ключи, рассекли и окружили стоявшие здесь подразделения 2-го и 3-го батальонов 11-й мотострелковой бригады 10-го танкового корпуса, отбросили русских на северо-восток, к Полежаеву, и северо-запад, к Веселому, и полностью овладели высотой 226,6. Затем эсэсовцы двинулись на север, в направлении высоты 236,7, которая господствует над местностью в данном районе, позволяя в ясную погоду хорошо видеть Обоянь и Прохоровку, а также открывает подходы к Карташевке, предоставляя возможность контролировать дорогу Обоянь—Карташевка— Прохоровка. На высоте 236,7 был развернут командный артиллерийский пункт 95-й гвардейской стрелковой дивизии (с утра здесь находился командующий артиллерией дивизии гвардии полковник Николай Себежко, а затем сюда же прибыл и генерал Жадов). Стрелковые части 95-й гвардейской стрелковой дивизии — 284-й и 290-й гвардейские* стрелковые полки, еще не успевшие завершить развертывание из второго эшелона, начали отход, который во многих местах проходил неорганизованно, с большими потерями437 (в связи с болезнью генерала Николая Никитчен-ко должность командира дивизии в этот момент временно исполнял заместитель командира гвардии полковник Андрей Ляхов). Оборона из сплошного рубежа превратилась в очаговую, вокруг нескольких местных узлов сопротивления. Группа немецких панцер-гренадер и танков к 13 часам вышла на северный берег в излучине реки Псел в районе хутора Полежаев и попыталась форсировать реку для удара в тыл 18-му танковому корпусу 5-й гвардейской танковой армии. Огнем артиллерии и танков 18-го корпуса форсирование реки было остановлено, огневой бой длился более часа.
На участке прорыва по приказу Жадова были сосредоточены основные силы 233-го гвардейского артиллерийского полка 95-й гвардейской стрелковой дивизии 33-го стрелкового корпуса под командованием гвардии подполковника Александра Ревина, а также две батареи 301-го гвардейского истребительно-противотанкового артиллерийского полка и две батареи 103-го отдельного истребительно-противотанкового дивизиона (всего — 57 орудий438), которые около 13 часов вступили в бой с танками противника. Одновременно из тыла на рубеж обороны вдоль дороги Прохоровка—Карташевка стала выводиться из резерва 6-я воздушно-десантная гвардейская стрелковая дивизия 32-го гвардейского стрелкового корпуса под командованием гвардии полковника Михаила Смирнова (Михаил Николаевич Смирнов, дивизия под его командованием насчитывала около 8,9 тысячи военнослужащих, 166 станковых пулеметов и 256 противотанковых ружей, 94 орудия и 157 минометов439). Дивизионный 8-й гвардейский воздушно-десантный артиллерийский полк также оперативно выдвигался к месту боя (увеличив сосредоточенную здесь артиллерийскую группу еще на 36 орудий). Большую роль в отражении атак дивизии «Мертвая голова» сыграла реактивная артиллерия — по целям в районе хуторов Веселый и Ключи вели огонь четыре минометных дивизиона (32 установки из состава оперативной группы гвардейских минометных частей под управлением гвардии полковника Фомы Терешонка — 66-й и 316-й гвардейские минометные полки), которые выпустили более 1000 осколочных и фугасных снарядов.
С другой стороны, боевые группы дивизии «Мертвая голова» были лишены поддержки своей артиллерии, поскольку артиллерийский полк дивизии под командованием оберштурмбаннфюрера СС Йозефа Свинтека (Josef Swientek) все еще оставался на южном берегу Псела. Поэтому, встретив сильное сопротивление вражеской артиллерии в центре, эсэсовцы перегруппировали силы к правому флангу и около 15 часов атаковали в направлении высоты 235,5 западнее хутора Полежаев, продвигая свою бронетехнику под прикрытием оврагов и лощин. Однако здесь от хутора Веселый до села Береговое проходил глубокий овраг, на северных скатах которого и были оборудованы позиции дивизионной артиллерии — 233-го гвардейского артиллерийского полка и 103-го отдельного истребительно-противотанкового дивизиона, а также отдельного батальона противотанковых ружей. Соответственно, новый мощный удар противника в сторону дороги Прохоровка—Карташевка опять приняла на себя главным образом советская артиллерия, оставшаяся почти без пехотного прикрытия. Заметив это, эсэсовцы бросили в атаку перед танками мелкие группы автоматчиков, старавшиеся уничтожить личный состав артиллерийских подразделений, прежде всего командиров и орудийные расчеты440 (так, подполковник Ревин был убит в бою с автоматчиками на своем наблюдательном пункте). Атака продолжалась до 18 часов, немцы вышли к северо-западным окраинам хутора Полежаев на расстоянии прямого выстрела от дороги Прохоровка—Карташевка, но перерезать эту важную рокадную магистраль эсэсовцам так и не удалось (в ночь с 12 на 13 июля немецкая разведка докладывала о движении больших колонн советских войск по этой дороге в северо-западном направлении441). Тем не менее обстановка сложилась настолько критическая, что для поражения бронетехники противника с открытых позиций были выведены даже батареи гаубичной артиллерии 233-го гвардейского артиллерийского полка. Около 11 часов из штаба 5-й гвардейской армии поступило устное распоряжение вернуть с южного берега Псела 29-ю гаубичную артиллерийскую бригаду, которая поддерживала наступление 32-го гвардейского стрелкового корпуса, но даже не успела еще изготовиться к ведению огня (командующего корпусом генерала Родимцева при этом никто о передислокации бригады не уведомил). Под сильным артиллерийско-минометным огнем наступление дивизии «Мертвая голова» к 19—20 часам остановилось на высоте 1 км северо-западнее хутора Полежаев, что стоило 5-й гвардейской армии больших потерь в личном составе и артиллерии (по донесениям от 13 и 14 июля, было потеряно 95 орудий