В начале октября 1941 г. события в полосах Юго-Западного и Брянского фронтов развивались неблагоприятно для Красной Армии. Генеральное наступление немецко-фашистских войск на Москву из района Глухова – Шостки началось ударом 2-й танковой группы генерала Г. Гудериана по левому флангу Брянского фронта. При 10-кратном превосходстве в танках и авиации и 5-кратном — в живой силе группа Гудериана смогла прорвать оборону советских войск в полосе 13-й армии. За два дня наступления противник пробил в обороне Брянского фронта 60-километровую брешь и продвинулся на 100 км. Стремительный прорыв немецко-фашистских войск к Орлу создал чрезвычайную угрозу для Курска. Взятие Курска позволило бы замкнуть 3-ю и 13-ю армии Брянского фронта во втором кольце окружения и лишило бы их возможности прорыва на восток.
7 октября 1941 г. положение войск Брянского фронта стало критическим. В районе Брянска — Карачева оказались окруженными более 27 дивизий и частей советских войск. После 9 дней боев в окружении костяк 13-й армии, понеся большие потери, в составе 10 тыс. бойцов прорвался из окружения на левый берег р. Свапы. 24–26 октября 1941 г. по приказу Ставки Верховного Главнокомандования начался отвод дивизий 13-й армии за Курск, в восточные районы Курской области на рубеж Верховье — Ливны — Тим.
В октябре 1941 г. организатором защиты города стал городской комитет обороны, созданный 23 сентября. Постановлением от 22 октября 1941 г. он сосредоточил всю полноту власти в прифронтовом городе. Оборона Курска проходила в два этапа. На первом этапе бои велись в течение нескольких дней на подступах к городу, на втором — непосредственно в черте города. На близких подступах к городу были возведены оборонительные укрепления: противотанковые рвы, окопы, дзоты, проволочные ограждения, в самом городе построены баррикады, оборудованы огневые точки. После отхода 13-й армии оборона города по приказу командующего Брянским фронтом генерала Г.Ф. Захарова была возложена на 2-ю гвардейскую стрелковую дивизию полковника А.З. Акименко. Личный состав полков был измотан в боях под Глуховом и Рыльском. Дивизия насчитывала не более 800 бойцов, в ней имелось всего несколько орудий на 10-километровый фронт обороны. Ослабленная в предшествующих оборонительных боях 2-я гвардейская стрелковая дивизия получила пополнение 8 тыс. человек из числа местных жителей, в оперативное подчинение командования были переданы полки народного ополчения, истребительные батальоны, насчитывающие в своих рядах 5809 человек. Работниками Курского железнодорожного узла в эти дни были изготовлены и переданы армии два бронепоезда, один из которых принимал непосредственное участие в боях за Курск. К Курску же рвались лучшие силы 2-й немецкой полевой армии генерал-полковника М. фон Вейхса — 9-я танковая и 95-я пехотная дивизии 48-го моторизованного корпуса. В 1939–1940 гг. они первыми вступали на улицы Варшавы, в города Бельгии, Дании, Франции.
31 октября 1941 г. передовые немецкие части подошли к северным окраинам Курска в районе сел Овсянниково, Сапогово, Шуклинка. Город Курск оставлен противнику в ночь со 2 на 3 ноября 1941 года. Оборону города и прикрытие отходящей 13-й армии вели части 2-й гвардейской дивизии, вышедшей из окружения противника, и полки народного ополчения. Справа и слева частей Красной Армии не было. Курск был оставлен советскими войсками и частями народного ополчения к исходу дня 3 ноября 1941 г. В боях за город погибло более 700 бойцов 2-й гвардейской стрелковой дивизии и народных ополченцев. Сотни ополченцев погибли в концлагерях, созданных в первые дни оккупации города, где содержалось почти 15 тыс. человек. Оккупация города продолжалась 15 месяцев. Более 10 тыс. жителей были угнаны в Германию, около 3 тыс. расстреляны, свыше 10 тыс. умерли от голода и болезней. Были разрушены все государственные предприятия, жилые и административные здания, мосты, выведен из строя водопровод, нарушены транспортные магистрали. Но борьба с захватчиками продолжалась по всей Курской области. За время оккупации широкое распространение получили партизанское, диверсионное и подпольное движения. К моменту оставления г. Курска на оккупированной немцами территории было создано 32 партизанских отряда. При подготовке Курской битвы в ходе оборонительного сражения партизанские бригады и отряды нарушали работу тыла противника, его укрепления и коммуникации, затрудняли переброску войск в район боевых действий, а также отвлекали как можно больше сил с фронта.
После победы советских войск под Сталинградом зимой 1943 г. успешно развивается наступление Красной Армии. Курская область вновь становится ареной боевых действий. В январе 1943 г. советское командование провело две крупные наступательные операции: Острогожско-Россошанскую и Воронежско-Касторненскую. После потери Воронежа (25 января 1943 г.) Курск приобрел для немцев большое значение в качестве транспортного узла. Вокруг города была создана мощная оборона, состоявшая из двух рубежей. Каждый из них включал в себя множество опорных пунктов с минометными, артиллерийскими и пулеметными позициями. Немцы считали Курск почти неприступным. В городе были сосредоточены две пехотные дивизии и части 4-й танковой дивизии. Внешний рубеж обороны занимали части шести дивизий, вышедшие из окружения у ст. Касторная. Командовал обороной города генерал-лейтенант Шнайдер, которому в случае удержания Курска был обещан чин генерал-фельдмаршала. Освобождение Курска было поручено 60-й армии Воронежского фронта под командованием генерал-майора И.Д. Черняховского и отдельным дивизиям 13-й армии Брянского фронта. Совершив марш от Воронежа и пройдя с боями 200 км за 12 дней, 6 февраля 1943 г. части 60-й армии подошли к внешнему оборонительному рубежу. В этот же день в 23:50 командующий 60-й армией отдал боевой приказ об уничтожении курской группировки противника.
7 февраля 1943 г. рано утром дивизии 60-й армии завязали бои по внешнему оборонительному рубежу немцев. Противник упорно сопротивлялся, используя оборонительные укрепления, но устоять перед мощным натиском советских войск все же не смог.Прорвав курский оборонительный обвод, войска к исходу дня вышли непосредственно к городу, а в ночь на 8 февраля ворвались в него. В ожесточенных уличных боях основная тяжесть пала на бойцов 322-й стрелковой дивизии (командир полковник С.Н. Перекальский, смертельно раненный в ходе боя), 121-й стрелковой дивизии (командир полковник М.А. Бушин) и 248-й отдельной стрелковой бригады (командир полковник И.А. Гусев). К вечеру 8 февраля 1943 г. областной центр был полностью освобожден.Партийные и государственные органы области, Курский городской комитет обороны, все население помогали частям Красной Армии продуктами, медикаментами, перевязочными средствами, пополняли их людьми, подтягивали к фронту ополченцев и истребительные батальоны. Всего за время проведения нашими войсками операции по освобождению Курска противник потерял убитыми и ранеными 8000 человек. Были разбиты 4-я танковая и 82-я пехотная дивизии, уничтожены остатки еще четырех пехотных дивизий, захвачены 250 орудий, 300 автомобилей, сотни тысяч снарядов и авиабомб. За освобождение Курска правительственными наградами были отмечены более 500 человек. За успешное проведение операции командующий 60-й армией генерал И.Д. Черняховский был награжден орденом Суворова 1-й степени. Командиру 322-й стрелковой дивизии С.Н. Перекальскому присвоено звание Героя Советского Союза посмертно. Его именем впоследствии были названы улица и площадь перед зданием Курского государственного медицинского университета.
После освобождения Курска советские войска продолжали теснить врага.
К концу марта 1943 г., когда завершилась зимняя наступательная кампания Советской Армии, почти вся территория Курской области была освобождена. На этом участке фронта образовался выступ, получивший название Курская дуга. Летом здесь развернулось одно из величайших сражений Великой Отечественной войны – Курская битва, не имевшая себе равных за всю историю Второй мировой войны. 50 дней шли упорные сражения на земле и в воздухе. В них принимали участие с обеих сторон более 4 млн человек, до 70 тыс. орудий и минометов, около 13 тыс. танков и самоходных орудий и до 12 тыс. боевых самолетов.
Подготовка к сражениям в районе Курского выступа и сама битва стали ярким воплощением лозунга «Фронт и тыл — едины», продемонстрировали тесную связь учреждений тыла Красной Армии с населением прифронтовой полосы. Усилиями войск и местного населения был выполнен колоссальный объем инженерных работ: оборудовано 8 оборонительных полос и рубежей глубиной до 300 км. Такой глубокоэшелонированной и очень эффективной обороны у Красной Армии не было ни до, ни после Курской битвы. Так, только одних траншей и ходов сообщений на Курском выступе было отрыто около 20 тыс. км, что равно половине длины экватора Земли. Все это было сделано для того, чтобы не допустить прорыва вражеских танков через оборонительные рубежи.
В апреле на строительстве оборонительных рубежей в полосе Центрального и Воронежского фронтов работало 105 тыс. курян, в июне — 300 тысяч. С особым старанием трудились куряне над сооружением укреплений на подступах к Курску. «Не допустить врага к родному городу» — таким был лозунг, брошенный строителями — трудящимися Курска. За короткий срок на подступах к городу было построено 130 артиллерийских сооружений, более 900 дзотов, 46 земляных валов. Внутри города все здания были превращены в опорные пункты, улицы перекрыты баррикадами. Рабочие и инженеры ремонтно-механического завода накануне и в ходе битвы отремонтировали более 300 танков. Была создана бригада, выезжавшая на фронт для ремонта танков в полевых условиях. Куряне проявили большую заботу о раненых воинах. Собственными силами оборудовали 13 госпиталей, обеспечили их врачами, медсестрами. Курский фармацевтический завод, частично восстановленный, с мая 1943 г. выпускал медикаменты для госпиталей. Многие куряне стали донорами. В дни битвы Курская городская станция переливания крови заготовила и отправила госпиталям 1179 л крови. Героически трудился коллектив Курского железнодорожного узла. Работая в трудных условиях, нередко под огнем вражеской авиации, он обеспечил бесперебойную доставку грузов на фронт. В мае – июле 1943 г. коллектив станции Курск трижды награждался Красным Знаменем Государственного Комитета Обороны. Настоящим трудовым подвигом курян стало сооружение железной дороги Старый Оскол — Ржава протяженностью 95 км для нужд Воронежского фронта. Построена дорога была за 32 дня — на месяц раньше срока, запланированного Государственным Комитетом Обороны.
Битва на Курской дуге, которую еще называют Огненной, началась утром 5 июля 1943 г. На северном фасе против соединений группы немецких армий «Центр» вели бои войска Центрального фронта под командованием генерала армии К.К. Рокоссовского, на южном фасе против группы армий «Юг» — войска Воронежского фронта под командованием генерала армии Н.Ф. Ватутина. На северном фасе противник за 7 дней боев (5–11 июля) продвинулся всего на 10–12 км. Особенно ожесточенные бои шли на Ольховатском и Поныровском направлениях. На южном фасе немецкие войска вначале нанесли главный удар на Обоянь, но, не добившись успеха, приняли решение прорвать нашу оборону в направлении на Прохоровку, чтобы, обойдя Обоянь с востока, прорваться к Курску.
12 июля 1943 г. под Прохоровкой состоялось крупнейшее танковое сражение Второй мировой войны, в котором участвовало 1200 советских и немецких танков и самоходных орудий. Противник, потеряв 400 танков и самоходок, не сумел прорваться к Курску, а 16 июля начал отвод своих войск с захваченных позиций. Вклад курян в победу в Курской битве выразился и в том, что они храбро сражались на фронтах против немецких оккупантов. Среди 180 воинов, удостоенных звания Героя Советского Союза за подвиги в Курской битве, 8 уроженцев Курской области.За мужество и стойкость, проявленные трудящимися Курской области при защите Родины в годы Великой Отечественной войны, и достигнутые успехи в восстановлении и развитии народного хозяйства Курская область в 1968 г. была награждена орденом Ленина, а город Курск — орденом Отечественной войны 1-й степени.
Указом Президента РФ от 27 апреля 2007 г. за мужество, стойкость и героизм, проявленные защитниками города в борьбе за свободу и независимость Отечества, Курску присвоено почетное звание Российской Федерации «Город воинской славы».