蘇軍最高統帥部於7月12日在西南方麵軍原有基礎上組建了斯大林格勒方麵軍，由鐵木辛哥元帥任司令員（7月23日起改由戈爾多夫中將接替），擔負斯大林格勒方向的防禦任務。該方麵軍編成內有從大本營預備隊調來的第62、第63、第*集團軍，原西南方麵軍的第21、第28、第38、第57集團軍殘部，第13、第22、第23坦克軍，以及空軍第8集團軍和海軍伏爾加河區艦隊。計12個師約16萬人、2200門火炮和迫擊炮、近400輛坦克和454架飛機。
1942年7月17日，蘇德雙方在斯大林格勒遠近地展開了激烈的交戰，會戰正式開始。德第6集團軍在保盧斯上將指揮下，以第8步兵軍和第14裝甲軍為北突擊集團，以第51步兵軍和第24裝甲軍為南突擊集團，向蘇軍62集團軍實施包圍突擊。同時，以部分兵力向蘇軍第*集團軍發起佯攻，以吸引蘇軍的注意力。7月23日，德軍突破蘇軍第62集團軍右翼，合圍了該集團軍的2個師，前出到斯大林格勒西麵的頓河河岸。斯大林再也按捺不住對鐵木辛哥元帥的失望，撤消了他斯大林格勒方麵軍司令員的職務，由第*集團軍司令戈爾多夫中將接任，並派總參謀長華西列夫斯基上將作為最高統帥部代表前往斯大林格勒協助指揮戰事。斯大林還決定將預備隊的坦克第1和第4集團軍火速調往斯大林格勒地域，又從遠東調來10個師加強斯大林格勒的防禦。隨後，斯大林於7月28日發布了第227號命令，嚴厲要求蘇軍部隊“絕對不許後退一步！”
7月25、27日，蘇軍以剛開來的坦克第1和第4集團軍進行反突擊。德第6集團軍由於缺少裝甲兵力的支援，被迫轉入防禦態勢。
7月30日，希特勒又作了一個影響命運的決定。他宣布：“因為高加索的命運是將要在斯大林格勒決定，所以由於這個會戰的重要性，遂有從A集團軍群抽調兵力以增強B集團軍群之必要。”於是，霍特的第4裝甲集團軍又歸還給B集團軍群，並於8月1日奉命沿科捷爾尼科沃——斯大林格勒鐵路向東北方向進擊，當天迅速突破了蘇第51集團軍的防線，占領了蒙特納亞。8月3日，霍特攻占了科捷爾尼科沃，接著又於5日突破了蘇第*集團軍的防禦，前出到阿勃加涅羅沃地域，但之後遭到了蘇軍越來越頑強的抵抗和反擊，霍特隻好放棄了獨立攻占斯大林格勒的想法，於8月9日轉入守勢。
8月5日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方麵軍改組為東南、斯大林格勒兩個方麵軍，由華西列夫斯基上將統一指揮。東南方麵軍由葉廖緬科上將指揮，編成內有第*、第57、第51集團軍，以及坦克第1集團軍、坦克第13軍和空軍第8集團軍。斯大林格勒方麵軍仍由戈爾多夫中將指揮，編成內有第63、第62、第21集團軍，以及坦克第4集團軍、坦克第28軍和空軍第16集團軍。
8月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻。保盧斯第6集團軍從斯大林格勒西北麵的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日突破蘇第62集團軍在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線，強渡頓河，占領了卡拉奇，23日推進到斯大林格勒北郊的葉爾佐夫卡地域，前出到伏爾加河，將蘇第62集團軍與斯大林格勒方麵軍主力分割開來；霍特第4裝甲集團軍從南麵的阿勃加涅羅沃地區向北進攻，突破了蘇第*集團軍的防禦，29日進至城南的加夫裏洛夫卡地域，其前鋒已前出到京古塔車站。9月2日，保盧斯第6集團軍右翼與霍特第4裝甲集團軍左翼在舊羅加奇克地區取得了聯係。與此同時，德第4航空隊出動了大批飛機，將斯大林格勒炸成了一片火海。
鑒於斯大林格勒異常嚴峻的形勢，斯大林決定給朱可夫一個副最高統帥的頭銜，到斯大林格勒坐鎮指揮，並決定立即調撥第24、第66集團軍和近衛第1集團軍開赴斯大林格勒。8月29日，朱可夫飛到斯大林格勒，立即著手組織第24、第66集團軍和近衛第1集團軍的反擊行動。9月3日，斯大林致電朱可夫：“斯大林格勒的形勢惡化了。敵人距斯大林格勒3俄裏（1俄裏=1.06公裏）。如果北部集團部隊不立即援助，斯大林格勒就有可能在今天或明天被攻占。應要求位於斯大林格勒以北和西北的各部隊司令員立即突擊敵人和援助斯大林格勒的軍民。不得有任何遲緩。現在遲延就等於犯罪。應將全部飛機用於援助斯大林格勒。斯大林格勒剩下的飛機很少了。”
9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊。激烈的戰鬥持續到傍晚，蘇近衛第1集團軍才前進了2—4公裏，而第24集團軍幾乎仍停留在原陣地。當晚，斯大林以強硬的口氣命令朱可夫：“繼續衝擊，你們的主要任務是把盡可能多的敵人調開斯大林格勒。”9月6日，蘇軍再次發起衝擊，但是，這次衝擊又一次被德軍擊退了。9月10日，蘇軍試圖從北麵實施突擊，恢複同第62集團軍的聯係，又遭到失敗。9月12日，斯大林召集朱可夫和華西列夫斯基開會，討論斯大林格勒的局勢，一致認為：“必須尋求另一種解決辦法。”
在高加索方向，利斯特A集團軍群以高速前進。8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍占領了梅柯普油田。8月22日，克萊斯特的士兵在海拔18526英尺的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。8月25日，克萊斯特部又攻占了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心隻有50英裏，距裏海也隻有100英裏。8月31日，希特勒要求A集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，盡快拿下油田。但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢。9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的A集團軍群司令的職務，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第1裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。克萊斯特上任後，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。因為衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油。萊斯特說：“因為黑海航路相當不安全，所以我們的補給大部分是必須從羅斯托夫‘瓶頸’用鐵路運來，有一部分是靠空運，但其總量還是不足以維持前進的動量。”
此時，德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達1250英裏以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的800英裏，德軍在蘇聯的戰線全長已在2000英裏以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅日共長350英裏，竟毫無掩護。德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，隻得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈壓利第2集團軍在沃羅涅日南麵；意大利第8集團軍在東南麵更遠一些的位置；羅馬利亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側。希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信隻要能迅速攻克斯大林格勒，則即可抽出足夠的兵力。哈爾德卻不同意他的看法，認為斯大林格勒是不可陷入的，力主放棄這個作戰，並向西撤退。希特勒當然不肯聽從。結果，哈爾德被免去了陸軍總參謀長的職務，原駐法國的德軍總司令庫特.蔡茨勒上將被任為陸軍總參謀長。
9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了B集團軍群司令魏克斯上將和第6集團軍司令保盧斯上將，命令他們於9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從高加索方向抽調9個師加強給第6集團軍。希特勒強調：“要盡快把那座城市拿到自己手裏，不要讓它變成人們長期矚目的焦點，更不能讓它牽扯我們更多的精力。要知道，德國要做的事情還多著呢。”
9月13日，德軍開始攻城。保盧斯第6集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊。霍特第4裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻。14日，德軍從城北突入市區，與守衛該城的蘇第62集團軍展開了激烈的巷戰。15日，德軍對馬馬耶夫高地實施重點突擊。該高地是斯大林格勒地勢最高的一塊地方，從這裏可以俯瞰和控製全城，崔可夫中將的第62集團軍司令部即設在這裏。經過一天激戰，德軍占領了馬馬耶夫高地，但在16日，蘇近衛第13師渡過伏爾加河進入斯大林格勒，突然向德軍發起反衝擊，又奪回了該高地。9月25日，德軍占領了市中心，27日衝進了北部工廠區，並重新占領了馬馬耶夫高地，但在29日又被蘇軍奪回。以後的戰鬥更加激烈。德第6集團軍的一位叫漢斯?德爾的軍官在《進軍斯大林格勒》一書中寫到：“敵我雙方為爭奪每一座房屋、車間、水塔、鐵路路基，甚至為爭奪一堵牆、一個地下室和每一堆瓦礫都展開了激烈的戰鬥。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大戰也不能相比。我們早晨攻占了20公尺，可是一到晚上，俄國人又奪了回去。”
9月28日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方麵軍改稱頓河方麵軍，司令員為羅科索夫斯基中將；東南方麵軍改稱斯大林格勒方麵軍，司令員為葉廖緬科上將；近衛第1集團軍擴建為西南方麵軍，司令員圖瓦京中將。副最高統帥朱可夫大將和總參謀長華西列夫斯基上將奉命秘密擬製反攻計劃。