После взятия Ростова, Гитлер передал 4-ю танковую армию из группы А (наступавшей на Кавказ) в группу «Б», нацеленную на восток к Волге и Сталинграду.
Первоначальное наступление 6-й армии было настолько успешным, что Гитлер вмешался вновь, приказав 4-й танковой армии присоединиться к группе армий «Юг» (А). В результате этого образовалась огромная «пробка», когда 4-й и 6-й армиям потребовалось в зоне действий несколько дорог. Обе армии намертво застряли, причём задержка оказалась довольно долгой и замедлила наступление немцев на одну неделю. С замедленным наступлением Гитлер поменял своё мнение и переназначил цель 4-й танковой армии обратно на Сталинградское направление.
К концу июля немцы оттеснили советские войска за Дон. Линия обороны протянулась на сотни километров с севера на юг вдоль Дона. Чтобы организовать оборону вдоль реки, немцам пришлось использовать помимо своей 2-й армии, армии своих итальянских, венгерских и румынских союзников. 6-я армия была всего лишь в нескольких десятках километров от Сталинграда, и 4-я танковая, находясь на юге от него, повернула на север, чтобы помочь взять город. Южнее группа армий «Юг» (А) продолжала углубляться дальше на Кавказ, но её наступление замедлилось. Группа армий «Юг» А была слишком далеко на юге и не могла обеспечить поддержку группе армий «Юг» Б на севере.
В июле, когда немецкие намерения стали совершенно ясны советскому командованию, оно разработало планы по обороне Сталинграда. На восточном берегу Волги были развёрнуты дополнительные советские войска. Была создана 62-я армия под командованием Василия Чуйкова, задачей которой стала защита Сталинграда любой ценой.
23 августа силы 14-го танкового корпуса армии Паулюса вышли к Волге севернее Сталинграда.
Люфтваффе проводит бомбардировку жилых районов Сталинграда, октябрь 1942 года.
Бытует версия, что Сталин не дал разрешение на эвакуацию жителей города. Однако документальных подтверждений по этому поводу до сих пор не найдено. Кроме того, эвакуация, хоть и низкими темпами, но все же проходила. К 23 августа 1942 года из 400 тыс. жителей Сталинграда было эвакуировано около 100 тыс. 24 августа Городской комитет обороны Сталинграда принял запоздалое постановление об эвакуации женщин, детей и раненых на левый берег Волги. Академик А.М. Самсонов приводите несколько другие цифры – 65 тысяч из Ворошиловского района, 65 тысяч человек из Краснооктябрьского района. Итого получается 130 000 человек. Все граждане, включая женщин и детей, работали над постройкой траншей и других фортификационных сооружений.
Массированная немецкая бомбардировка 23 августа разрушила город, убила более 40 тысяч человек, превратив тем самым Сталинград в громадную территорию, покрытую горящими руинами. Историки советского периода, тот же Самсонов, приводят более низкие показатели – «свыше 300» человек. Бомбежкой было уничтожено более половины жилого фонда довоенного Сталинграда.
Бремя начальной борьбы за город пало на 1077-й противовоздушный полк: подразделение, укомплектованное, главным образом, из молодых женщин-добровольцев, не имевших опыта по уничтожению наземных целей. Несмотря на это и без должной поддержки, доступной от других советских подразделений, противовоздушные стрелки оставались на своих местах и вели огонь по наступающим вражеским танкам 16-й танковой дивизии, пока все 37 батарей ПВО не были уничтожены или захвачены. К концу августа группа армий «Юг» (Б) наконец-то достигла Волги к северу от Сталинграда. Также последовало ещё одно немецкое наступление к реке на юге от города.
На начальном этапе советская оборона опиралась в значительной степени на «Народное ополчение рабочих», набранное из рабочих, не втянутых в военное производство.
Танки продолжали строиться и укомплектовывались добровольными экипажами, состоявших из работников заводов, в том числе, женщин. Техника сразу же отправлялась с конвейеров заводов на линию фронта, часто даже без покраски и без установленного прицельного оборудования.
К 1 сентября 1942 года советское командование могло обеспечить свои войска в Сталинграде только рискованными переправами через Волгу. Посреди развалин уже разрушенного города советская 62-я армия соорудила оборонительные позиции с расположенными огневыми точками в зданиях и на заводах. Сражение в городе было жестоким и отчаянным. Немцы, продвигаясь вглубь Сталинграда, понесли тяжёлые потери. Советские подкрепления переправлялись через Волгу с восточного берега под постоянной бомбардировкой немецкой артиллерии и самолётов. Средняя продолжительность жизни новоприбывшего советского рядового в городе падала иногда ниже двадцати четырёх часов. Немецкая военная доктрина была основана на взаимодействии родов войск вообще и особо тесном взаимодействии пехоты, сапёров, артиллерии и пикирующих бомбардировщиков. Чтобы противостоять этому, советское командование решило пойти на простой шаг – постоянно держать фронтовые линии настолько близко к противнику, насколько это физически возможно (как правило не более 30 метров). Таким образом, немецкой пехоте приходилось сражаться, полагаясь на себя самих, или подвергаться опасности быть убитыми своей же артиллерией и горизонтальными бомбардировщиками, поддержка была возможно только от пикировщиков. Мучительная борьба шла за каждую улицу, каждый завод, каждый дом, подвал или лестничный проход. Немцы, называя новую городскую войну (нем. Rattenkrieg, Крысиная война), горько шутили о том, что кухню уже захватили, но до сих пор бьются за спальню.
Сражение на Мамаевом кургане, пропитанной кровью высоте, возвышающейся над городом, было необычно беспощадным. Высота переходила из рук в руки несколько раз. На зерновом элеваторе, огромном зернообработочном комплексе, боевые действия проходили настолько плотно, что советские и немецкие солдаты могли чувствовать дыхание друг друга. Бои на зерновом элеваторе продолжались неделями, пока советская армия не сдала позиции. В другой части города многоквартирное здание, обороняемое советским взводом в котором служил Якова Павлова, было превращено в неприступную крепость. Из этого дома, позже ошибочно названного «Домом Павлова», можно было наблюдать площадь в центре города. Солдаты окружили здание минными полями и установили пулемётные позиции.
Не видя конца этой жуткой борьбе, немцы стали подвозить к городу тяжёлую артиллерию, включая несколько гигантских 600-миллиметровых мортир. Немцы не предприняли никаких усилий, чтобы переправить войска через Волгу, позволяя советским войскам воздвигать на противоположном берегу огромное количество артбатарей. Советская артиллерия на восточном берегу Волги продолжала вычислять немецкие позиции и обрабатывать их усиленным огнём. Появляющиеся руины советские защитники использовали как оборонительные позиции. Немецкие танки не могли передвигаться посреди груд булыжников высотой до 8 метров. Если они даже и могли продвигаться вперёд, то попадали под плотный огонь советских противотанковых подразделений, расположенных в развалинах зданий.
Советские снайперы, используя руины в качестве укрытий, также нанесли немцам тяжелейший урон. Снайпер Василий Григорьевич Зайцев в ходе сражения уничтожил 225 солдат и офицеров противника (в том числе 11 снайперов).
И для Сталина, и для Гитлера битва за Сталинград стала вопросом престижа в дополнение к стратегическому значению. Советское командование передвинуло резервы Красной Армии от Москвы к Волге, а также перебросило воздушные силы практически со всей страны в район Сталинграда.
В ноябре, после трёх месяцев кровавой бойни и медленного, дорогостоящего наступления, немцы наконец достигли берега Волги, захватив 90% разрушенного города и разбив сохранившиеся советские войска на две части, из-за чего те попали в два узких котла. В дополнение ко всему этому, на Волге образовалась корка льда, мешающая подходу лодок и грузам обеспечения для попавших в тяжёлую ситуацию Советских войск. Несмотря ни на что, борьба, в особенности на Мамаевом кургане и на заводах в северной части города, продолжалась так же неистово, как и до того. Сражения за завод Красный Октябрь, тракторный завод и артиллерийский завод Баррикады стали известны на весь мир. Пока советские солдаты продолжали защищать свои позиции, ведя огонь по немцам, рабочие заводов и фабрик ремонтировали повреждённые советские танки и оружие в непосредственной близости от поля боя, а иногда и на самом поле боя.
Вот как вспоминал об этом бывший адъютант Паулюса 6 – армией В. Адам: «Население взялось за оружие. На поле битвы лежат убитые рабочие в своей спецодежде, нередко сжимая в окоченевших руках винтовку или пистолет. Мертвецы в рабочей одежде застыли, склонившись над рулем разбитого танка. Ничего подобного мы никогда не видели. Генерал фон Виттерсгейм предложил командующему 6 – армией отойти от Волги. Он не верил, что удастся взять этот огромный город. Паулюс отверг его предложение…».
Донской фронт был образован 30 сентября 1942 года. В составе: 1-я гвардейская армия, 21-я, 24-я, 63-я, 66-я армии, 4-я танковая армия, 16-я воздушная армия. Принявший командование генерал-лейтенант Рокоссовский активно принялся осуществлять «давнюю мечту» правого фланга Сталинградского фронта – окружить немецкий 14-й танковый корпус и соединиться с частями 62-й армии. С 23 августа 1942 года, когда немцы вышли к Волге, разрезав фронт на две части, шли постоянные попытки ликвидировать северную группировку немцев, но все попытки были безрезультатны.