1942年7月17日，苏德双方在斯大林格勒接近地展开了激烈的交战，会战正式开始。德军第6集团军在保卢斯上将指挥下，以第8步兵军和第14装甲军为北突击集团，以第51步兵军和第24装甲军为南突击集团，突击苏联红军62集团军防御实施包围，向卡拉奇方向发展进攻。同时，以部分兵力向苏联红军第64集团军发起佯攻，以吸引苏联红军的注意力。7月23日，德军突破苏联红军第62集团军右翼防线，合围了该集团军的2个师，前出到斯大林格勒西面的顿河河岸。

1942年7月25日，德军对由苏联红军第64集团军的右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河。1942年7月29日，苏64集团军被迫退过顿河。斯大林再也按捺不住对年迈的铁木辛哥元帅的失望，撤消了他斯大林格勒方面军司令员的职务，由第64集团军司令戈尔多夫中将接任，并派总参谋长华西列夫斯基上将作为最高统帅部代表前往斯大林格勒协助指挥战事。斯大林还决定将预备队的坦克第1和第4集团军火速调往斯大林格勒地域。随后，为了增强斯大林格勒守军的斗志，斯大林于1942年7月28日发布了第227号命令，凡是不服从命令而离开战斗岗位或者撤退的军人都将被枪毙，并严厉要求苏联红军部队“绝对不许后退一步！”德第6集团军由于缺少装甲兵力的支援，被迫转入防御态势。德军在行进间占领斯大林格勒的计划被粉碎。但此时顿河西岸苏联红军的处境非常困难，两翼都陷入了德军包围。

1942年7月28日，苏联红军从罗斯托夫撤退。

1942年7月30日，希特勒又作了一个影响命运的决定。他宣布：“因为高加索的命运是将要在斯大林格勒决定，所以由于这个会战的重要性，遂有从A集团军群抽调兵力以增强B集团军群之必要。”于是，霍特的第4装甲集团军又归还给B集团军群，并于1942年8月1日奉命沿科捷尔尼科沃——斯大林格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了苏第51集团军的防线，占领了蒙特纳亚。1942年8月3日，霍特攻占了科捷尔尼科沃，接着又于5日突破了苏第64集团军的防御，前出到阿勃加涅罗沃地域，但之后遭到了苏联红军越来越顽强的抵抗和反击，霍特只好放弃了独立攻占斯大林格勒的想法，于1942年8月9日转入守势。

1942年8月5日，苏联红军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改组为东南、斯大林格勒两个方面军，由华西列夫斯基上将统一指挥。东南方面军由叶廖缅科上将指挥，编成内有第64、第57、第51集团军，以及坦克第1集团军、坦克第13军和空军第8集团军。斯大林格勒方面军仍由戈尔多夫中将指挥，编成内有第21、第62、第63集团军，以及坦克第4集团军、坦克第28军和空军第16集团军。

1942年8月19日，保卢斯和霍特重新发起了进攻。保卢斯第6集团军从斯大林格勒西北面的特列赫奥斯特罗夫卡亚向东南攻击，22日突破苏第62集团军在韦尔加奇和彼斯科瓦特卡地段的防线，强渡顿河，占领了卡拉奇，23日第14装甲军推进到斯大林格勒北郊的叶尔佐夫卡地域，前出到伏尔加河，将苏第62集团军与斯大林格勒方面军主力分割开来。霍特第4装甲集团军从南面的阿勃加涅罗沃地区向北进攻，突破了苏第64集团军的防御，29日进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出到京古塔车站。1942年9月2日，保卢斯第6集团军右翼与霍特第4装甲集团军左翼在旧罗加奇克地区取得了联系。与此同时，德军第4航空队出动飞机几百架，入夜又出动2000架次飞机对斯大林格勒进行狂轰滥炸。

鉴于斯大林格勒异常严峻的形势，斯大林任命朱可夫为最高副统帅，并决定立即调拨第24、第66集团军和近卫第1集团军开赴斯大林格勒。1942年8月29日，朱可夫飞到斯大林格勒并着手组织第24、第66集团军和近卫第1集团军的反击行动。1942年9月3日，斯大林致电朱可夫要求立即对斯大林格勒进行突击，以缓解当地紧张局势。

1942年9月5日拂晓，朱可夫将3个新锐集团军投入反击，由于准备仓促，反击未达到预期目标。当晚，斯大林命令朱可夫继续冲击。1942年9月6日，苏联红军再次发动进攻，再次失败。1942年9月10日，苏联红军试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到失败。1942年9月12日，苏联红军撤至市区围廓，外围防御地带已全部丧失，德军突破斯大林格勒城防，从南面突进到伏尔加河，把守卫城市的第62集团军同战场上的其他部队分隔开来。

在高加索方向，利斯特A集团军群以高速前进。1942年8月9日，克莱斯特第1装甲集团军占领了迈柯普油田。1942年8月22日，克莱斯特的士兵在海拔18526英尺的厄尔鲁斯山峰上升起了第三帝国的万字旗。1942年8月25日，克莱斯特部又攻占了莫兹多克，距格罗兹尼四周的苏联最大产油中心只有50英里，距里海也只有100英里。1942年8月31日，希特勒要求A集团军群司令利斯特元帅倾其所有的力量向格罗兹尼作最后进攻，尽快拿下油田。但德军冲击力迅速下降，进展缓慢。1942年9月9日，希特勒免去了利斯特元帅的A集团军群司令的职务，由第1装甲集团军司令克莱斯特上将接任，第1装甲集团军司令则由麦肯森将军继任。克莱斯特上任后，虽然竭尽全力，也无法再前进一步。因为冲击力丧失的主要原因是缺乏燃油。

1942年9月12日，希特勒从东普鲁士飞抵乌克兰的文尼察，召见了B集团军群司令魏克斯上将和第6集团军司令保卢斯上将，命令他们于1942年9月13日对斯大林格勒发起新的进攻，并决定从高加索方向抽调9个师加强给第6集团军。